酒店大堂空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

王　利　中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041梁煥新　成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院　成都　610106

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酒店大堂空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

王利*中國成達(dá)工程有限公司成都610041梁煥新成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院成都610106

摘要某酒店大堂為單層大跨門式空間結(jié)構(gòu),主體結(jié)構(gòu)為三角形鋼管桁架形式, 弦桿和腹桿為焊接直縫鋼管。采用MIDAS/Gen軟件, 對結(jié)構(gòu)在各主要荷載組合工況下的受力進(jìn)行了分析, 對計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并分析了結(jié)構(gòu)的幾何非線性和動力特性。恒載、最不利活荷載和風(fēng)荷載組合為結(jié)構(gòu)的最不利工況，該酒店大堂結(jié)構(gòu)受力合理, 結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性均滿足要求，可供類似工程參考。

關(guān)鍵詞大跨度結(jié)構(gòu)空間桁架 溫度應(yīng)力滑動節(jié)點幾何非線性

*王利：國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，高級工程師。2005年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)獲工學(xué)碩士學(xué)位。主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)管理工作。聯(lián)系電話：(028)65531354，Email：wangli1354@chengda.com。

近10年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的時期，空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)的一個分支，已大量應(yīng)用到各大工程中，空間管桁架結(jié)構(gòu)有其自身優(yōu)點，主要是利用鋼管的優(yōu)越受力性能和美觀的外部造型構(gòu)成獨特的結(jié)構(gòu)體系，滿足鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計概念：鋼管截面各向等強(qiáng)度，抗扭剛度大，受彎無弱軸，承載能力高，端頭封閉后抗腐蝕性能好，整體簡潔，輕巧美觀，視覺效果好，易于清潔等。因此鋼管結(jié)構(gòu)不僅在海洋工程、橋梁工程、塔桅工程中都得到了廣泛的應(yīng)用，在民用建筑中的應(yīng)用也日益廣泛。

1工程概況

該項目位于拉薩市郊，毗鄰西藏大學(xué)新校區(qū)，拉薩河岸邊，正對布達(dá)拉宮，是拉薩市級別最高的酒店。該項目4棟酒店共用一個大堂，大堂為單層建筑，根據(jù)功能分為：大堂入口及接待中心，商業(yè)及游泳中心兩部分。平面尺寸244m×85m，其中大堂入口及接待中心為三角形，檐口高度10m，頂點高45m；商業(yè)及游泳中心檐口高度25m，頂點高33m，建筑立面見圖1。

建筑要求達(dá)到全通透視覺效果，屋面、墻面采用雙層真空隔熱玻璃，屋面玻璃通過龍骨放置于矩形鋼管檁條上，并增加玻璃肋板保證真空玻璃的平面剛度，墻面玻璃為點吸式連接到墻面檁條上。工程設(shè)計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級, 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)取1.0, 建筑的耐火等級為二級。

圖1　建筑立面

2結(jié)構(gòu)布置及選型

為實現(xiàn)建筑效果，屋面盡量少布置桿件，經(jīng)過多種方案比較和分析，最終確定大堂結(jié)構(gòu)采用倒三角形門式空間管桁架結(jié)構(gòu)。鋼材全部采用Q345B，以焊接直縫鋼管為主，配合少量熱軋無縫鋼管。每榀桁架中心間距18m，凈距15m，桁架節(jié)間距3m，屋面檁條間距3m，檁條放置于桁架上弦節(jié)點上，在檐口高度與三角形桁架屋脊高度處設(shè)置封口桁架，傳遞水平作用力，其結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。

商業(yè)及游泳中心采用管桁架1結(jié)構(gòu)形式：雙坡排水弧形屋面，矢高8m，見圖3。格構(gòu)柱尺寸3m×3m，上、下弦桿等截面，腹桿根據(jù)受力大小、位置不同截面大小不同；桁架梁尺寸3m×4m(寬×高)，上、下弦桿，腹桿根據(jù)受力大小、位置不同截面大小不同。

圖2　結(jié)構(gòu)平面布置

圖3　管桁架1

大堂入口及接待中心采用管桁架2結(jié)構(gòu)形式：雙坡排水斜屋面，見圖4。格構(gòu)柱尺寸3m×3m，上、下弦桿等截面，腹桿根據(jù)受力大小、位置不同截面大小不同；桁架梁尺寸3m×3m(寬×高)，上、下弦桿，腹桿根據(jù)受力大小、位置不同截面大小不同。

圖4　管桁架2

為避免球節(jié)點對整體視覺效果的影響，連接方式采用空間相貫鏈接節(jié)點，見圖5。對于桁架下弦與格構(gòu)柱連接節(jié)點(柱頂節(jié)點一)，因桿件多，受力大，同時也是最重要的連接點，弦桿之間的連接焊縫質(zhì)量等級為一級，100%探傷，保證焊縫質(zhì)量，同時為增加局部穩(wěn)定性能，節(jié)點區(qū)域內(nèi)部還灌滿C30細(xì)石混凝土。

圖5　桁架相貫節(jié)點

由于大堂外殼為連體結(jié)構(gòu)，總長244m，屬于超長結(jié)構(gòu)，必須考慮溫度應(yīng)力的影響，為了減小由于溫度因素引起的應(yīng)力，并適應(yīng)大跨度屋面溫度變形的要求, 在結(jié)構(gòu)縱向中部，檁條與鋼桁架連接采用滑動節(jié)點連接(滑動節(jié)點位置見圖2)，其他部位檁條采用焊接方式與桁架上弦連接。

該工程的耐火設(shè)計：主體管桁架結(jié)構(gòu)耐火極限取2.5h。

3結(jié)構(gòu)計算分析

3.1結(jié)算模型及基本假定

采用通用有限元計算軟件MIDAS/GEN Ver.780建模，計算分析,柱腳采用剛性外包式柱腳。每個腹桿劃分為一個桁架單元, 弦桿則在每個節(jié)間劃分為一個梁單元。檁條為箱形截面，劃分為梁單元，與桁架上弦鉸接連接，在中間滑動節(jié)點處釋放Y向位移約束，減小由于溫度變化引起的應(yīng)力。單元在每個節(jié)點上有六個自由度, 材料的彈性模量Es = 2.06×105N/mm2, 泊松比μ= 0.3, 材料的屈服強(qiáng)度為345MPa。計算模型見圖6。

圖6　3D空間模型

3.2計算參數(shù)

3.2.1荷載標(biāo)準(zhǔn)值

(1)靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值：屋面板自重為0.5kN/ m2, 檁條及鋼桁架自重程序自動計算，其它外加荷載0.1kN/ m2, 且單點吊重不大于10kN。

(2)活荷載：屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.30kN/ m2。

(3)溫度差：±15℃( 結(jié)構(gòu)施工安裝時的溫度與使用過程中溫度的最大差值)。

(4)風(fēng)荷載：0.3kN/ m2，在進(jìn)結(jié)構(gòu)計算時, 體型系數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。風(fēng)振系數(shù)取1.5。

(5) 地震作用：地震烈度：8度；地震加速度：0.2g，第二組。

(6) 場地類別：Ⅱ類，設(shè)計特征周期：0.40s。

3.2.2荷載組合

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求，共采用52種荷載組合，同時還有3種內(nèi)力包絡(luò)圖工況，控制荷載組合為：sLCB13 和 sLCB2，最終設(shè)計依據(jù)包絡(luò)圖工況進(jìn)行。

3.3優(yōu)化分析及靜力計算結(jié)果

3.3.1優(yōu)化設(shè)計

門式空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計主要影響參數(shù)：矢高、桁架尺寸、格構(gòu)柱尺寸、桁架凈距。為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全可靠且經(jīng)濟(jì)合理，在滿足建筑要求的條件下，對門式空間桁架結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)中的矢高和桁架高度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，根據(jù)建筑功能要求及計算分析，格構(gòu)柱尺寸統(tǒng)一為3m×3m，立體桁架梁的寬度定為3m，桁架間距為18m，矢高：根據(jù)該結(jié)構(gòu)特點，矢高過小結(jié)構(gòu)撓度位移很難滿足規(guī)范要求，矢高過大，則會產(chǎn)生很大的水平推力，同時建筑要求盡量控制弧形屋面的曲率，最終確認(rèn)采用5m和8m來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；桁架高度：滿足結(jié)構(gòu)受力和變形要求，根據(jù)經(jīng)驗及構(gòu)造要求，桁架高度取值為3m、3.5m、4m和5m。分別對6種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了計算分析，用鋼量計算結(jié)果見表1。

表1　不同方案用鋼量計算結(jié)果

總用鋼量包含檁條重量，6種方案中檁條重量相同，因此用鋼量的差別即為門式空間桁架的重量差別。通過對比分析，Sch 6能夠得到較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為相對最優(yōu)方案。

3.3.2靜力計算結(jié)果

由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多，僅按照截面類型給出最大內(nèi)力計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)的桿件應(yīng)力為各種組合工況下的最大應(yīng)力結(jié)果，構(gòu)件設(shè)計驗算結(jié)果見圖7。從驗算結(jié)果看出, 構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求。撓度為恒載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下X、Y、Z三向的最大位移，形狀見圖8，X向最大位移：32.98mm；Y向最大位移：34.22mm；Z向最大位移：152.1mm?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)及立體桁架的撓跨比規(guī)定為1/250,側(cè)向位移按照檐口高度的h/400控制，因此結(jié)構(gòu)的撓跨和位移皆滿足規(guī)范的要求。

目前，對于該結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計，國內(nèi)相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗很少，且結(jié)構(gòu)安全等級為一級，8度設(shè)防，為滿足安全可靠性，采用了各種組合情況下最大內(nèi)力包絡(luò)圖狀態(tài)構(gòu)件的內(nèi)力值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。 在此工況下,立體桁架梁的下弦桿與格構(gòu)柱連接節(jié)點處受力最大, 上弦桿在兩端最大，其次是中心處受力較大,1/4跨處最小，腹桿的受力在支座附近比較大, 在跨中較小。

圖7　構(gòu)件設(shè)計驗算結(jié)果界面

圖8　3D位移計算結(jié)果形狀

3.4結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析

3.4.1結(jié)構(gòu)特征值屈曲分析

通過MIDAS/Gen軟件, 采用子空間法進(jìn)行計算得到屈曲荷載系數(shù)為26.89, 不同模態(tài)特征值屈曲分析結(jié)果見表2。

表2　特征值屈曲分析結(jié)果

特征值屈曲分析得到的是屈曲荷載的上限, 特征值屈曲的初階屈曲模態(tài)的形狀可以作為施加初始缺陷或擾動的依據(jù)。

3.4.2結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析

通過MIDAS/GEN軟件, 采用弧長法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析。結(jié)構(gòu)的初始缺陷是將特征值屈曲分析的第一階屈曲模態(tài)作為初始缺陷的分布模態(tài), 并對初始模態(tài)最大值進(jìn)行調(diào)整，初始缺陷最大值取跨度的1/300。經(jīng)計算得到結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線見圖9。根據(jù)第一模態(tài)失穩(wěn)位置可以看出, 結(jié)構(gòu)發(fā)生的是分支點失穩(wěn),失穩(wěn)系數(shù)為μ=24.497(μ大于5.0機(jī)滿足要求)，參照MIDAS技術(shù)說明，失穩(wěn)系數(shù)僅為可變載的放大系數(shù)，因此結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞時的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為DL+24.497LL=8.1kN/m2。因此,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足要求。經(jīng)計算結(jié)構(gòu)中壓桿的整體穩(wěn)定滿足要求。

圖9　非線性屈曲分析結(jié)果

3.5結(jié)構(gòu)的動力特性分析

3.5.1模態(tài)分析

將屋面的恒荷載轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量, 把等效質(zhì)量單元加到模型的節(jié)點上, 利用Block Lanczos 方法對計算模型進(jìn)行模態(tài)分析，表3給出了6個振型的自振周期。

表3　周期、振型及質(zhì)量參與系數(shù)分析結(jié)果

3.5.2地震反應(yīng)譜分析

該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度, 場地類別為Ⅱ類,場地固有周期為0.40s。結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.02, 地震影響系數(shù)αmax=0.16。根據(jù)以上參數(shù), 按抗震規(guī)范[ 4]的規(guī)定計算了此情況下的地震影響系數(shù)曲線, 考慮三維地震反應(yīng)，輸入X、Y和Z方向的地震加速度。由于結(jié)構(gòu)跨度、體型較大，桿件數(shù)量多，高頻振型密集，通過計算得知，直到60個振型才滿足抗震規(guī)范要求的質(zhì)量參與系數(shù)。三個方地震質(zhì)量參與系數(shù)分別為：X-91.1%；Y-90.83%；Z-90.05%。表3為前5階和第60階振型和周期。

根據(jù)計算結(jié)果，第2～4振型都有較大豎向振動參與系數(shù), 結(jié)構(gòu)變形主要集中在跨中附近。由于結(jié)構(gòu)的跨度較大, 平面外剛度相對較小, 故豎向位移振幅相對較大，圖10給出1、2、3和5振型圖。

4結(jié)語

目前該建筑已通過竣工驗收，并投入使用，結(jié)構(gòu)輕巧而美觀，見圖11。

圖11　結(jié)構(gòu)主體安裝竣工后效果

(1) 對于門式空間桁架結(jié)構(gòu)，合理的選擇桁架矢高和自身的尺寸能夠有效地控制結(jié)構(gòu)用鋼量，降低項目投資，取得良好的使用和經(jīng)濟(jì)效果。建議，矢高取短向跨度L的(1/15～1/8)，跨度大者取大值，立體桁架的高度取短向跨度L的(1/30～1/20)，跨度大者取大值，立體桁架的寬度取其高度的(1/3～1/1)，同時考慮結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)間距確定。取值參數(shù)也可以參考《空間結(jié)構(gòu)》中建議取值方法。

(2) 結(jié)構(gòu)計算表明： 恒載、最不利活荷載和風(fēng)載組合工況為結(jié)構(gòu)的最不利工況, 可作為設(shè)計的依據(jù)，安全起見，也可采用內(nèi)力包絡(luò)圖作為設(shè)計依據(jù)，在此2種工況下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性均滿足要求。地震荷載對結(jié)構(gòu)的設(shè)計不起控制作用。

(3) 通過結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算可知： 該空間鋼管結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)為分支點失穩(wěn), 添加了初始缺陷后, 促進(jìn)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。由于該立體桁架空間相互作用明顯，有較高的穩(wěn)定承載力，根據(jù)計算結(jié)果可知，該結(jié)構(gòu)對初始缺陷不太敏感。通過計算，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足規(guī)范的要求。

(4) 通過結(jié)構(gòu)的動力特性分析可知: 結(jié)構(gòu)的基本自振周期較長，前3個周期衰減尚可，但以后的高頻振型很密集，要計算很多振型才能滿足抗震計算要求，除第一振型沿縱向平動外，其它振型都是X、Y和Z三向同時參與，總體豎向剛度相對較小，撓度較大。通過地震反應(yīng)譜分析可以判斷結(jié)構(gòu)的主要振動形式，并根據(jù)分析情況可以進(jìn)行地震作用力的計算。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2015-08-26)