某大跨度展覽中心結構方案優(yōu)化比選及難點分析

許紹軍

摘 要 某展覽中心項目：本建筑為多層建筑，功能主要為展覽展示、研發(fā)實驗室、辦公、會議、輔助性用房等。地上二層，首層為大空間展覽展示中心，層高13.2米，最大跨度29米，13.2米層高范圍局部有兩個錯層（層高分別為4.2米，3.9米和5.1米），二層層高7.8米，最大跨度29米，本展示中心荷載取值較大，一層活載取值10kN/m2，二層活載5kN/m2。經過分析對比，最終本建筑主體采用鋼框架結構，大空間展示中心，跨度29米，采用管桁架結構，與柱剛接連接，這樣使框架整體剛度更強，整體性更好，既避免了地震作用下出現(xiàn)強烈扭轉，又保證了桁架自身的強度與剛度，避免跨中出現(xiàn)較大撓度，同時桁架也滿足規(guī)范要求的舒適度要求。

關鍵詞 大跨度復雜鋼結構 多層建筑 桁架結構 管桁架設計

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）03-0061-03

在目前復雜鋼結構應用過程中，尤其是針對大跨度建設，需要對其進行合理設計，因為其自身結構較為復雜，并且在具體應用過程中靈活性較高，需要進行結構方案分析優(yōu)化對比，才能夠使其實際使用效果更加良好。

1 工程概況

某展覽中心項目，本建筑為多層建筑，功能主要為展覽展示、研發(fā)實驗室、研發(fā)辦公、會議、輔助性用房等。地上二層，一層為大空間展示中心，層高13.2米，跨度29米，13.2米層高范圍局部有兩個錯層（層高分別為4.2米，3.9米和5.1米），二層層高7.8米，展示中心跨度29米。本展示中心荷載取值較大，一層活載取值10kN/m2，二層活載5kN/m2，場地基本地震烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g，抗震設防類別為乙類，基本風壓0.45kN/m2基本雪壓0.3kN/m2。中間柱距29米大跨度展廳，四周為辦公及輔助用房及樓梯等公共空間，該建筑平面長度153.6米，寬90.5米，建筑中心為展示展覽中心大跨度，大空間，層高13.2米，跨度29米，四周為輔助用房，13.2米層高內兩層夾層，柱距9.6米。

根據《建筑抗震設計規(guī)范》，該結構屬于體型復雜的結構型式，由于大空間及錯層影響，在地震作用下結構的扭轉剪切作用明顯，對結構受力極為不利，[1]為此在展示空間部分結構形式選擇極為重要，既要保證自身強度、穩(wěn)定、撓度要求，同時也要能和主體框架協(xié)調工作，受力合理。由于二層荷載較大，二層活載5kN/m2，樓板為壓型鋼板組合樓板，擬采用H型鋼桁架，管桁架作為大空間主要受力構件，桁架與柱子剛接為宜，屋面結構因荷載比較小，不上人屋面，可采用變截面梁或網架結構作為主受力構件，結構形式的最終確定需要進一步做分析優(yōu)化對比。

2 結構選型與結構布置

2.1 主體結構選型

本工程結構平面不規(guī)則，首層層高13.2米，四周夾層分部在13.2米層高之間，形成局部錯層，造成豎向剛度不連續(xù)，結構關系示意詳見圖1所示。主體結構設計時一個重要的任務就是要避免結構在地震作用下出現(xiàn)嚴重的扭轉變形。二層層高7.8米，中間展示中心功能為展覽展示，柱距29米，屋面層結構標高21米，整體結構采用鋼框架結構。

2.2 大跨結構選型

本工程結構特點是跨度大，最大跨度29米，荷載大，大跨度展示中心位置為正常使用樓面，需要做現(xiàn)澆樓面，使用活載5kN/m2。結構平面不規(guī)則，中間展示中心層高13.2米，四周夾層分部在13.2米層高之間，形成局部錯層，造成豎向剛度不連續(xù)。主體結構設計時一個重要的任務就是要避免結構在地震作用下出現(xiàn)嚴重的扭轉變形，由于大空間面積較大，層高較高，大空間結構自身的質量及縱向剛度很大，具有限制主體結構側移變形的潛力[2]，因此首先考慮大空間結構采用桁架結構。

鋼桁架上下弦桿及鋼框架梁兩端均與主體結構鋼柱采用剛接連接，整體性更好，既避免了地震作用下出現(xiàn)強烈扭轉，又保證了桁架自身的強度與剛度，避免跨中出現(xiàn)較大撓度。初步擬定大空間范圍采用桁架結構，屋面采用變截面梁，梁端截面變高，中間段高度變小，形成拱形型梁，保證了梁自身的強度與剛度，避免跨中出現(xiàn)較大撓度，微拱造型更美觀大方，滿足建筑需求。

2.3 樓面體系

普通樓層樓板，為增加鋼框架的側向剛度，各層樓面均采用鋼梁+組合樓蓋體系（非組合型），樓面鋼梁兩端均與縱向鋼框架梁采用鉸接連接，各層樓面荷載先傳給樓面梁，通過樓面梁傳遞給縱向框架梁。

桁架區(qū)域，為增強鋼框架的側剛向度，樓面均采用均采用鋼梁+組合樓蓋體系（非組合型），樓面鋼梁兩端均與桁架采用鉸接連接，樓面荷載先傳給樓面梁，通過樓面梁傳遞給縱向桁架。

2.4 地下結構

本項目首層為主要展示空間，大型展覽均放在首層，首層活載10kN/m2，普通小型貨車能直接進出展廳進行裝載及拆卸?？紤]荷載較大，地下一層采用鋼筋混凝土框架結構，現(xiàn)澆混凝土樓板，主次梁結構形式，地下柱距控制在8.9米跨度，地上大空間29米跨度柱距在地下一層中間加柱子均分，形成均勻柱跨，達到節(jié)約成本的目的。

3 結構方案優(yōu)化比選及難點分析

3.1 二層大空間結構方案優(yōu)化比選

3.1.1 H型鋼作為桁架構件

大跨度結構方案擬選定為桁架結構，桁架結構與柱子采用剛接連接，增強側向剛度。設計工程中對H型鋼桁架和圓管桁架進行優(yōu)化設計對比分析，通過計算軟件盈建科2.0.3進行整體計算，桁架部分采用3D3S14.1進行建模分析，并拼裝進主體結構合模進行整體分析。

首先采用H型鋼作為桁架弦桿和腹桿進行試算[3]，因場地類別為三類場地，8度抗震設防，且展覽作為人流密集場所，按照建筑分類設防標準要求，屬于乙類建筑，高烈度下H型鋼截面相關參數指標，高厚比，寬厚比均應滿足建筑抗震設計規(guī)范，因此出現(xiàn)板件較厚，靠近柱的桁架桿件截面厚度達到45mm，且僅僅桁架部分含鋼量達到1200噸。

3.1.2 圓管作為桁架構件

管桁架由于自身構件的特殊性，平面外穩(wěn)定更容易控制，板件厚度相對H型鋼要小很多，總體桁架部分含鋼量為720噸，遠小于H型鋼桁架含鋼量。綜合施工成本，管桁架加工費比H型鋼桁架略高一些，但管桁架為相貫焊接，沒有螺栓，線條美觀，更能滿足建筑造型需求，無需吊頂即可帶來結構美感，故選擇管桁架作為大空間主結構，達到節(jié)約成本，美觀大方，使用方便的效果[4]。

3.2 技術難點分析及節(jié)點處理

3.2.1 技術難點分析

1.經過分析優(yōu)化對比，本項目大跨度部分采用平面鋼管桁架，橫向和縱向交錯布置，確保桁架平面外的穩(wěn)定。

管桁架在外型尺寸的選擇上，根據工程的經驗和規(guī)范推薦值，可以參考桁架的上下弦桿間距取總跨度的1/20～1/30，管桁架的高度取總跨度的1/12～1/16，矢高可取跨度的1/3～1/6，弦桿和腹桿之間的夾角不宜小于30。

2.管桁架是指用圓管桿件在端部相互連接構成的格構式結構，與傳統(tǒng)開口截面（H型鋼和I字鋼）鋼桁架相比，管桁架結構截面材料繞中和軸分部較均勻，截面具有更好的抗壓和抗彎承載能力及穩(wěn)定性，相貫焊接，無需節(jié)點板，構造簡單。

在創(chuàng)建管桁架模型時，本項目整體計算采用盈建科2.0.3進行整體計算，桁架部分采用3D3S14.1進行建模分析，桿件及節(jié)點設計應按基本組合作用的效應確定內力設計值。

對抗震設計，地震組合的效應按GB50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016版）考慮相關抗震調整系數后計算。

對非抗震設計作用及作用組合的效應按GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》和GB50017-2017《鋼結構設計規(guī)范》相關規(guī)定，對位移驗算時，應取標準組合作用下的效應來確定撓度。

3.2.2 復雜節(jié)點處理

1.單榀管桁架相貫節(jié)點通常在主管和噴嘴之間使用橫向接頭，也稱為橫向結。通常，節(jié)點損壞很容易導致桿失效，并對整個結構的破壞產生連鎖反應。相交節(jié)點也是該結構的高能耗部分，因此，相交組件的設計非常重要，并且對焊縫的要求也相對較高，公共集管和主管必須通過完全角焊連接。如果噴嘴的壁厚較大（t≥6mm），則建議在噴嘴的周圍使用對接焊縫和幾次角焊縫。所有類型的焊縫都必須具有凹槽，其形狀取決于噴嘴的壁厚和焊縫的位置。如果噴嘴的壁厚小于6mm，則無法切割凹槽，角焊腳的高度不得超過分支管壁厚的兩倍。

2.節(jié)點驗算是管桁架設計的重要環(huán)節(jié)，驗算節(jié)點時，按照《鋼結構設計標規(guī)范》GB50017-2017節(jié)點驗算要求：

一是節(jié)點極限承載力必須大于相應軸力的絕對值。

二是支管與主管夾角不宜小于30度。

三是角焊縫高度不應大于支管壁厚的2倍。

四是支管壁厚不應大于主管壁厚。

五是支管外徑與主管外徑之比應在0.2到1之間。

六是支管外徑與壁厚之比不應大于100εk2。

七是主管外徑與壁厚之比不應大于100εk2。

對于復雜節(jié)點容易出現(xiàn)節(jié)點支管軸力限值小于支管軸力，此時應調整主管型號或采取構造措施加強節(jié)點，通常通過計算加厚主管壁厚或節(jié)點貼鋼板，四面圍焊來補強節(jié)點。

4 結語

結合上文分析，在大跨度復雜鋼結構設計過程中，需要對其可能存在的技術問題進行合理探究，這樣才能夠對這些問題的根本原因進行分析，以便對其進行合理解決。在具體結構探究方面，需要結合其設計過程以及各方面數據的穩(wěn)定性來進行討論，這樣能夠更加明確地發(fā)現(xiàn)問題并及時解決，進而提高技術水平。

參考文獻：

[1] 秦文，陳小才.空間鋼管桁架結構的發(fā)展及應用[J].科學之友，2011（09）：6-7.

[2] 張濤.大跨度復雜鋼結構施工過程中的若干技術問題及探討[J].中國建筑金屬結構，2019，453（09）：58-60.

[3] 宗琳.關于超大跨度空間鋼結構設計的研究[J].建材與裝飾，2020，603（06）：144-145.

[4] 郗洪波.大跨度復雜鋼結構施工過程中的若干技術問題及探討[J].建筑工程技術與設計，2018（25）：245.