某師范學(xué)院綜合訓(xùn)練館型鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：該結(jié)構(gòu)下部為混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土柱頂周圈設(shè)置混凝土框架梁，屋蓋為型鋼桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計過程中采用同濟大學(xué)編制的3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)分析，后用MIDAS結(jié)構(gòu)計算軟件進行分析校核，本文簡要介紹該屋面型鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。

關(guān)鍵詞：型鋼桁架；上弦支撐

1 工程概述

本工程為某師范學(xué)院綜合訓(xùn)練館屋面型鋼桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)+屋面型鋼桁架，桁架跨度為兩種：64.8m及58.8m。混凝土框架柱距為7.2m，長度為100.8m，混凝土柱頂標高為14.500～14.860m。屋面板為壓型鋼板加保溫棉輕質(zhì)屋面，屋面檁條間距1.5m，非懸掛馬道位置采用冷彎薄壁C型鋼檁條。

該桁架底部設(shè)置“E”字形馬道，采用高頻焊接H型鋼檁條與屋面桁架連接。

設(shè)計信息：

（1）設(shè)計荷載（標準值）：

屋面恒荷載：0.50kN/m2，下弦吊掛恒荷載：0.50kN/m2。

基本風(fēng)壓：0.45kN/m2（地面粗糙度類別為B類），基本雪壓：0.40kN/m2。

抗震設(shè)防烈度為7度第二組，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，場地類別為三類。

（2）屋蓋結(jié)構(gòu)形式為梯形型鋼桁架，HJ1跨度64.8m，HJ2跨度58.8m，桁架屋脊處高3.8m，屋面為雙坡屋面。

（3）該屋蓋桁架結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)為Q345B級鋼。

（4）鋼屋蓋桁架上弦平面布置圖（圖1）、下弦平面布置圖（圖2）如下：

2 結(jié)構(gòu)形式選取

該工程屋面桁架為梯形桁架，構(gòu)件截面規(guī)格主要為國標熱軋H型鋼，根據(jù)柱距7.2m以及桁架跨度要求，綜合選取桁架分格為3.6m，屋脊處桁架高度為3.8m，考慮混凝土柱頂安裝空間要求，桁架支座高度定為400mm；桁架采用上弦支承（鉸接支座）與底部混凝土框架柱可靠連接。

除主桁架外，次桁架采用國標熱軋H型鋼，支撐采用圓鋼管。

3 結(jié)構(gòu)分析計算

該工程結(jié)構(gòu)分析主要分為三個步驟：①屋蓋主桁架設(shè)計；②屋蓋次桁架設(shè)計；③屋蓋主次桁架與混凝土框架結(jié)構(gòu)整體分析。

3.1 桁架部分

3.1.1 主桁架

型鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)采用同濟大學(xué)主持研發(fā)的3D3S計算軟件進行分析，桿件許用應(yīng)力比控制在0.85，弦桿長細比限值150，主桁架跨中撓度限值按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范關(guān)于大跨空間結(jié)構(gòu)（輕質(zhì)屋面）恒載及活荷載標準值作用下，撓度允許值取為跨度的1/250。

主桁架立面圖圖3所示。

3.1.2 次桁架

根據(jù)建筑及使用要求，該結(jié)構(gòu)為上弦柱點支撐，所以次桁架的結(jié)構(gòu)形式選取就顯得很重要，在整個計算過程中，采取兩種方案進行對比，試算次桁架結(jié)構(gòu)形式對桁架整體受力的影響，并最終選定第二種方案。

（1）次桁架端腹桿為斜桿（以CHJ1為例）：

在該情況下，主次桁架整體受力接近于正交正放空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力，次桁架由于主桁架的變形影響產(chǎn)生了較大內(nèi)力，桿件軸力如下圖，支撐桿件、次桁架桿件內(nèi)力均較大，次桁架下弦桿最大軸力值達到1563kN，并且導(dǎo)致部分支撐桿件內(nèi)力較大，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計難度增大，而且，作為一個屋蓋結(jié)構(gòu)，該形式的桁架，傳力路徑不夠簡捷，不符合經(jīng)濟合理的設(shè)計原則，此時的支撐構(gòu)件已并非單純的支撐構(gòu)件，而是參與桁架整體受力的桿件，此時主桁架跨中最大豎向撓度值為191mm。

次桁架立面圖及桿件軸力包絡(luò)圖（圖4）如下（以CHJ1為例）：

（2）去掉次桁架端部斜腹桿，并增加次桁架端部下弦水平桿（以CHJ1為例）：

去掉次桁架的端部斜腹桿，并增加次桁架端部下弦水平桿后，整個桁架的受力體系更為明確，次桁架桿件內(nèi)力大為降低，次桁架上弦桿最大軸力值為-577kN，降幅較為明顯，調(diào)整后的方案更加有利于次桁架弦桿連接節(jié)點的設(shè)計，此時主桁架跨中最大豎向撓度值為186mm。

次桁架立面圖及桿件軸力包絡(luò)圖（圖5）如下（以CHJ1為例）：

綜合以上兩種方案，最終選定第二種次桁架方案，桿件內(nèi)力較小，且支撐桿件內(nèi)力也回歸正常，更利于次桁架桿件連接節(jié)點設(shè)計以及結(jié)構(gòu)整體受力。

3.2 桁架及混凝土框架整體分析

同濟大學(xué)編制的3D3S計算分析軟件，可以進行混凝土柱彈簧剛度計算，較為準確的反應(yīng)屋蓋桁架支座剛度值，將屋蓋桁架與混凝土框架梁柱整體進行計算分析后，再用MIDAS軟件進行復(fù)核，與3D3S軟件計算結(jié)果一致，滿足設(shè)計要求。

經(jīng)過復(fù)核，該屋蓋結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.3 細部節(jié)點構(gòu)造

該結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計內(nèi)容主要有：①桁架橡膠支座；②桁架非橡膠支座；③桁架弦桿與腹桿連接節(jié)點；④主次桁架連接節(jié)點；⑤支撐與桁架連接節(jié)點等。

主要節(jié)點示意如下：

4 結(jié) 論

由于目前的民用建筑跨度越來越大，結(jié)構(gòu)的外立面造型以及建筑使用要求也較為復(fù)雜，選擇合適的符合工程實際情況和建筑設(shè)計方案等綜合條件的結(jié)構(gòu)形式，也顯得很重要，如該工程中關(guān)于屋蓋次桁架的兩種方案的分析對比就很好的詮釋了這個設(shè)計原則，因為結(jié)構(gòu)形式的合理選取關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體受力體系是否合理，結(jié)構(gòu)整體建造的經(jīng)濟指標要求是否滿足。

對于屋蓋與底部混凝土框架，進行整體分析時，首先，須注意兩者的材料強度及截面剛度的明顯區(qū)別，盡量做到優(yōu)化兩者的變形協(xié)調(diào)，整體分析可以較為準確的計算出桁架屋蓋的支座剛度，而非單獨計算屋蓋時的一個支座剛度預(yù)估值，從而確保結(jié)構(gòu)的計算更加安全可靠；其次，結(jié)構(gòu)計算假定要與結(jié)構(gòu)的實際情況及節(jié)點做法相一致，做到設(shè)計經(jīng)濟合理；再次，鋼構(gòu)件截面的設(shè)計與構(gòu)件制作、安裝的關(guān)系密不可分，所以主、次桁架構(gòu)件截面選取常用的國標熱軋型鋼截面，構(gòu)件加工及采購周期均優(yōu)于焊接型鋼，在一定程度上節(jié)約了成本，并且滿足加工工藝和安裝工期等要求。

參考文獻

[1]GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》.

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[4]GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》.