鋼管桁架屋蓋的設(shè)計

鋼管桁架屋蓋的設(shè)計

1高爾夫球場區(qū)鄭州新校園體育中心位于校園東西軸線的最東端?？拷嵵菸魉沫h(huán)路，南側(cè)為綜合體育中心，北側(cè)為學(xué)生生活公園三個階段（圖1）。體育館共設(shè)置了4200個觀眾席位,總建筑面積達(dá)11.2萬m2。體育館上部為直徑72m的圓形大空間鋼屋蓋,下部為3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),共有24根矩形截面柱均勻?qū)ΨQ地布置在圓周上,屋蓋通過支座支承于柱子上,柱頂標(biāo)高18.5m,檐口標(biāo)高21.5m。從室外看,上部集覆蓋承重于一身的金屬輕質(zhì)屋面板和玻璃具有輕巧感和流動感,與下部厚重的混凝土結(jié)構(gòu)比起來就像懸浮于空中,給人以美的享受。通過探討鋼屋蓋的選型布置及結(jié)構(gòu)體系的使用效率,得出了一些結(jié)論可為同類工程設(shè)計提供參考。2類型和布局2.1管桁架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計在選擇屋蓋結(jié)構(gòu)類型時,考慮到屋蓋平面直徑達(dá)72m,已超出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)跨度,若鋼網(wǎng)架僅憑四周混凝土結(jié)構(gòu)支承,屋架中心節(jié)點處的撓度非常大,影響屋蓋的正常使用和美觀;而采用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),如此大的跨度必定會導(dǎo)致很大的矢高,增大了屋面的表面積,也大大增加了用鋼量?？臻g管桁架體系將薄壁鋼管有機(jī)地結(jié)合在一起,形成徑、環(huán)向交錯受力的荷載分?jǐn)傮w系以承受自身和外加荷載。薄壁鋼管的使用,既大大降低了屋蓋的自重和用鋼量,又可承受軸力和彎矩,使結(jié)構(gòu)平面布置相當(dāng)靈活,提高各個桿件的利用率,有著傳力途徑簡捷、抗震性能好、施工安裝簡便、構(gòu)造輕盈等優(yōu)勢。因此,經(jīng)多方案比較,新校區(qū)體育館屋蓋選擇了大跨度輻射型管桁架結(jié)構(gòu)體系(圖2)。根據(jù)結(jié)構(gòu)平面布置和使用功能要求,整個屋架被設(shè)計為圓形,水平投影為軸對稱的花瓣形,屋架由內(nèi)向外層層擴(kuò)散,在半徑約7m和15m及外圍處設(shè)置3道封閉的環(huán)向管桁架,它與沿徑向設(shè)置的徑向空間桁架相交,并把徑向管桁架劃分成外、中、內(nèi)3個部分,同時,也在外部和中部徑向管桁架中部設(shè)置了3道環(huán)向撐桿。體育館屋面坡度8°,屋蓋厚度3m,中心點標(biāo)高24.5m(圖3)。從平面看,屋架結(jié)構(gòu)完全對稱,質(zhì)量中心和剛度中心相互重合,對抗震十分有利;從立面看,整個屋架為淺圓錐型,中間略微向上凸起,受力合理,傳力直觀,整體性能好。2.2外部徑向管桁架傳遞流式當(dāng)屋蓋承受豎向或水平荷載時,屋面板通過檁條傳遞給徑向管桁架和與之相交的環(huán)向管桁架,環(huán)向管桁架再傳給外部徑向管桁架,依次向外傳遞,最后傳給最外部的環(huán)桁架,并通過支座傳給下部結(jié)構(gòu),最終傳到基礎(chǔ)。屋架采用的支座為徑向鋼球滑動支座,它位于環(huán)向桁架一的下弦,均勻分布于下部結(jié)構(gòu)的24根混凝土柱子頂部,當(dāng)承受荷載作用時,允許屋蓋沿徑向滑動,限制其環(huán)向及豎向的滑動。2.3配置結(jié)構(gòu)1環(huán)向管桁架的受力性能沿屋架徑向由3部分組成,為雙層管桁架。徑向管桁架一位于徑向管桁架的最外端,由24道倒三角形管桁架組成,兩道上弦、一道下弦通過腹桿相連,長度約為21m。它一端深入環(huán)向管桁架一中,上下弦分別與環(huán)向管桁架一的上下弦相連,另一端伸入環(huán)向管桁架二,上弦與環(huán)向管桁架二的上弦直接相接,但下弦通過兩根過渡轉(zhuǎn)換桿與環(huán)向管桁架二下弦相連,使力均勻傳遞。由于坡度只有8°,對整體而言很小,可以忽略,因此整體上表現(xiàn)為桁架梁的受力性能,即上弦受壓,下弦受拉,腹桿抗剪。徑向管桁架二位于環(huán)向管桁架二與環(huán)向管桁架三間,長度約8m,由12道三角形管桁架組成,同時在兩道上弦和兩道下弦中間用腹桿連接構(gòu)成穩(wěn)定的三角形集合。徑向管桁架三位于徑向管桁架最內(nèi)端,12道單片桁架交匯到中心撐桿,外端與環(huán)向管桁架三相交,每個單片桁架長約7m,上下弦桿間用斜腹桿連接。2滑動鉸支護(hù)的錨固作用與徑向管桁架一起承擔(dān)整個屋蓋荷載,并提供側(cè)向支撐,將徑向管桁架傳來的力均勻分配后向外傳遞。環(huán)向管桁架一位于屋架最外端,形狀為倒三角形管桁架,在其下弦與徑向管桁架一下弦交接處設(shè)置24個徑向滑動鉸支座,承受整個屋架傳來的荷載。它約束徑向變形和位移,減小整個結(jié)構(gòu)的豎向撓度,在滿足規(guī)范要求的同時,使結(jié)構(gòu)用鋼量最小。環(huán)向管桁架二處于屋架中部,直徑約30m,也為倒三角形,但與環(huán)向管桁架一不同的是,其上弦內(nèi)圈弦桿與下弦桿在水平面上的投影相互重合。由于徑向管桁架一內(nèi)端直接插入環(huán)向管桁架二中,所以它對徑向管桁架一起到一定的錨固作用,同時,內(nèi)部徑向管桁架二為12道,而外部的徑向管桁架一為24道,要使力能夠均勻傳遞,也必須有一個中間過渡桁架,即環(huán)向管桁架二。環(huán)向管桁架三直徑約14m,為單片環(huán)形桁架,它不僅為徑向管桁架三提供側(cè)向約束,同時也將力均勻向外部傳遞。3徑向管桁架二下弦環(huán)輪模型撐桿不僅起環(huán)向支撐的作用,而且還起到過渡的作用,將力均勻傳向四周,保證弦桿軸力盡量平滑過渡。撐桿一位于徑向管桁架二上弦處,直徑約22m,呈花瓣形,由兩部分組成:一為將徑向管桁架二上弦中間節(jié)點相連的環(huán)形撐桿;二為環(huán)形撐桿上各節(jié)點與其相鄰的徑向管桁架一內(nèi)端節(jié)點相連的過渡桿。撐桿二位于徑向管桁架二下弦,形狀為環(huán)形齒狀,直徑約26m,它將徑向管桁架二下弦與環(huán)向管桁架二下弦節(jié)點連接起來,起到下弦平滑過渡的作用。撐桿三在徑向管桁架一中部下弦處,直徑為50m,不僅起到約束桁架一變形的作用,也兼作檢修馬道之用。3管架的整體分析3.1整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合使用ANSYS對屋架進(jìn)行三維有限元計算,并對整體結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的內(nèi)力組合進(jìn)行分析,從而研究整個結(jié)構(gòu)受力是否合理,桿件是否得到充分利用。3.2單元有限元分析根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)組成特點及平面布置形式,選取其中的一榀桁架旋轉(zhuǎn)一周生成整體模型,同時考慮精度要求,將每根桿件劃分為3個單元進(jìn)行有限元分析,劃分后單元總數(shù)達(dá)8427個,節(jié)點數(shù)為6508個。在整個屋架體系中,每個桁架的上弦、下弦、腹桿、撐桿均由若干根三維彈性直管單元構(gòu)成,而每個直管單元的節(jié)點都有6個自由度(3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度),且具有拉、壓、彎曲能力。因此,在ANSYS單元選取時,選擇了與其特性相近的單元模擬桿件真實的受力情況。3.3單工況作用對比在計算中,依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001),對整體屋架進(jìn)行恒荷載、活荷載、滿跨雪荷載、半跨雪荷載、風(fēng)荷載、溫降30℃、溫升30℃總計7種單工況作用,考慮了8種不利荷載組合(表1)。3.4環(huán)向管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計通過對8種不利荷載組合的計算,取出了所有組合下沿X、Y、Z方向的軸力和繞X、Y、Z軸的扭矩,其具體數(shù)值見表2所列。8種不利荷載組合下,第6種組合對屋架最為不利,因此分別取出工況6下的3組軸力圖和3組扭矩圖來比較,如圖4所示。在6組圖形中,X向軸力對結(jié)構(gòu)影響最大,由圖4a可知,拉力最大值發(fā)生在環(huán)向管桁架一下弦,壓力最大值發(fā)生在環(huán)向管桁架三上弦,內(nèi)部徑向管桁架二、三及環(huán)向管桁架二、三的內(nèi)力數(shù)值變化不大,說明內(nèi)部管桁架受力非常均勻,桿件得到了充分利用。本文又列出了各部分管桁架的X向軸力數(shù)值,通過內(nèi)力與實際桿件尺寸的比較研究結(jié)構(gòu)桿件的使用效率(表3)。經(jīng)過比較分析,徑向管桁架的上弦桿件截面由外向內(nèi)分別為?273×8,?273×10和?325×12,截面尺寸依次增大,與之對應(yīng)表中壓力值也從小到大逐漸增大,說明桿件的使用效率較高。徑向管桁架一下弦內(nèi)段受拉,外段受壓,徑向管桁架二、三下弦均承受拉力,數(shù)值基本一致,統(tǒng)一設(shè)計為?180×8較為經(jīng)濟(jì)合理。環(huán)向管桁架一上弦內(nèi)圈局部受壓,外圈局部均勻受拉,但是受力很小,因此采用?159×6的鋼管經(jīng)濟(jì)適用;下弦受到的拉力很大,并且拉力最大值就發(fā)生在此處,因此采用的桿件截面達(dá)?351×16。環(huán)向管桁架二上弦內(nèi)、外圈均受壓,大小相近,下弦受較大拉力。環(huán)向管桁架三受力相當(dāng)均勻,上弦受壓,壓力極值就發(fā)生在此處,因此也采用?351×16鋼管。撐桿一受壓,受力數(shù)值較大,采用截面尺寸為?219×9的鋼管,撐桿二和撐桿三受拉,數(shù)值較小,采用?180×8和?168×6即可滿足要求。4施工結(jié)果分析1)管桁架應(yīng)用于大跨空間結(jié)構(gòu)中,不僅在建筑造型上容易實現(xiàn),同時也擁有合理的受力性能和較高的結(jié)構(gòu)利用率。在本屋架中采用徑向、環(huán)向管桁架交錯布置的荷載分?jǐn)傮w系,使荷載能均勻地傳向各個支座,減小了下部支承結(jié)構(gòu)的負(fù)荷,降低了造價。2)本屋蓋體系的荷載和結(jié)構(gòu)形式都是沿圓心均勻分布,結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量中心和剛度中心重合,這樣使結(jié)構(gòu)沿屋面均布的豎向荷載不會產(chǎn)生傾覆力矩,對結(jié)構(gòu)受力非常有利。3)通過核對桿件的截面尺寸并經(jīng)受力分析后表明,大部