大跨度管桁架屋盖结构设计分析

宛高旗

摘 要：管桁架结构建筑外表美观，通透性好，跨越能力强，承载力性能优越，经济效益良好。近年来得到了良好的应用于推广，本文结合实际工程项目，对大跨管桁架结构进行了设计分析，得到了风荷载是本项目结构的控制荷载，进行了结构地震动分析，从结构的振型图可以看出，结构的整体性能良好。本文的结论为工程设计提供了参考和指导。

关键词：管桁架；风荷载；地震动；振型

管桁架结构采用相贯节点，简化了传统球节点的连接方式和构造，省去了球节点及支座的设计，使整个结构简洁大方，以简洁、流畅、美观的视觉效果在大跨空间结构中得到了广泛应用。

管桁架结构具有以下的优点：（1）结构形式简洁、美观，适用于多种结构造型。（2）钢管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，因此管桁架结构几何特性好，刚度大。整体受力合理。（3）管桁架结构施工时将各杆件直接焊接，因而具有施工简单，节省材料的优点。

此外，由于结构外形等特点，还具有便于清洁、防锈、承受风荷载效应较低等优点。但是由于管桁架结构应用时间较短，规范尚不完备，其理论研究不够深入，在具体的设计、施工中需针对工程中技术难点，进行具体的分析。

1 工程概况

1.1 结构形式。某高级中学体育馆为大跨度管桁架结构，该体育馆内一楼设置有体操室、健身房、舞蹈房，二楼是一个标准的篮球场，两侧有看台，可以承担一般比赛任务。该工程跨度39m，长度为45m。结构如图1所示。

图1 大跨管桁架结构模型图

结构形式双轴对称，样式轻盈，外观曲线流畅，屋面材料采用铝合金屋面板。结构总共有12根承压柱，由6榀主桁架承重，桁架宽0.8m，高度最小处0.7m，最大处2m，矢高4m。

主桁架上弦杆截面为φ108×8钢管，下弦为φ127×7钢管，腹杆为φ95×6钢管，柱子为φ299×16钢管，钢材材质均为Q345-B。结构纵向通过三角形截面桁架进行拉结并传递横向荷载。桁架支座一端为固定铰接支座，另一端为可以沿桁架跨度方向滑动的滑动支座，以释放温差所引起的变形。滑动支座构造如图2所示。

1.2 荷载。根据规范的规定，屋面恒载、活载及风载的取值如下。

恒载：屋面恒载为0.5KN/m2，屋面吊挂为0.7KN/m2，构件自重通过程序自动计算。

活载：屋面活载为0.5KN/m2。

风荷载：基本风压取0.6KN/m2，B类场地粗糙度。

本工程抗震设防烈度8度，基本地震加速度为0.20g，场地类别为II类，设计地震分组为第二组。 周期不折减，建筑结构阻尼比取0.02。

温度作用： 由于结构跨度大，沿纵向较长，故温度作用对结构的影响不容忽视。设计中计算温差取±30℃。

2 内力分析

工程采用空间结构有限元软件MIDAS/GEN进行整体计算。屋盖的主要荷载包括竖向的恒载和结构自重、活载和风载。结构分析中同时考虑了水平地震作用及温度作用。钢管桁架除上下弦按刚接计算外。其余构件按铰接设计。经分析计算，在各种荷载组合下，各主要杆件的控制内力如表1。

由表1 可以看出，杆件主要由恒载，活载和风载的荷载组合控制，屋盖结构没有考虑上吸风的有利作用，但由于屋盖侧向受风面积较大，所以水平风荷载的作用不容忽视。

表1 各主要杆件的控制内力

杆件 内力/KN

上弦杆 163.0

下弦杆 91.2

腹杆 126.8

柱子 132.5

注： 此处内力指杆件轴力。因为对于上下弦杆的弯矩很小，不起控制作用。

根据规定，对无吊车的屋盖结构，按永久和可变荷载标准值计算的挠度容许值可取跨度的1/250，本工程按永久和可变荷载标准值计算的屋盖结构最大挠度为7.99mm，对应桁架跨度为39m，39000/250= 15.6>7.99，满足要求，同时，屋盖桁架支座一端采用可滑动板铰节点，有利于减少构件内力。

3 动力性能分析

对本工程结构进行自振特性分析，计算振型数取20阶，结构前3 阶自振周期及振型如表2 所示。由表2 可知，T1/T g=4.4，水平地震影响系数处 在设计反应谱曲线的下降段，地震影响系数 值较小。对于大跨度柔性结构，地震作用一般不起控制作用。由结构的阵型图可以看出，第1阶，第 3 阶振型均为横向振型，第2 阶为纵向振型，整体振动明显。

表2 结构前三阶周期及阵型图

阵型号 周期/s 阵型图

1 1.751

2 1.116

3 0.734

4 结语

大跨度钢管桁架结构，由于结构简洁、受力合理、重量轻，经济效益良好，近年来，该结构形式普遍应用于我国大跨度空间结构。本文针对某大跨度管桁架工程，采用大型有限元程序进行了各种工况下的受力分析，指出了对于大跨度钢结构，风荷载成为结构的控制荷载，并对结构进行了地震动输入动力学分析，可以看出，由于大跨度结构刚度较小，因此地震影响系数处于设计反应谱的下降段，地震荷载对结构的影响较小。但是，由于钢结构的稳定性及施工要求高，因此，在满足建筑形式的要求之下，应保证结构体系的稳定性和完整性，对于相贯节点的加工与放样应该进行精确地设计，以保证整体结构的安全性能。

参考文献

[1] 郑江，郝际平，杨晓莉，等.某体育馆复杂空间管桁架相贯节点承载力分析[J].建筑科学， 2013，29（1）.

[2] 谭海滨.浅析钢结构管桁架的设计及施工技术[J].中国房地产业，2013（4）.

[3] 杨石杰.郑州东站五跨连续大跨管桁架安装施工技术[J].建筑技术，2013，44（4）.

[4] 尉洪利，苏毅.西藏会展中心大跨度管桁架吊装施工方案浅析[J].城市建设理论研究（电子版），2013（22）.

[5] 陈君君.大跨度钢结构空问管桁架设计探析[J].科技与生活，2012（22）.

摘 要：管桁架结构建筑外表美观，通透性好，跨越能力强，承载力性能优越，经济效益良好。近年来得到了良好的应用于推广，本文结合实际工程项目，对大跨管桁架结构进行了设计分析，得到了风荷载是本项目结构的控制荷载，进行了结构地震动分析，从结构的振型图可以看出，结构的整体性能良好。本文的结论为工程设计提供了参考和指导。

关键词：管桁架；风荷载；地震动；振型

管桁架结构采用相贯节点，简化了传统球节点的连接方式和构造，省去了球节点及支座的设计，使整个结构简洁大方，以简洁、流畅、美观的视觉效果在大跨空间结构中得到了广泛应用。

管桁架结构具有以下的优点：（1）结构形式简洁、美观，适用于多种结构造型。（2）钢管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，因此管桁架结构几何特性好，刚度大。整体受力合理。（3）管桁架结构施工时将各杆件直接焊接，因而具有施工简单，节省材料的优点。

此外，由于结构外形等特点，还具有便于清洁、防锈、承受风荷载效应较低等优点。但是由于管桁架结构应用时间较短，规范尚不完备，其理论研究不够深入，在具体的设计、施工中需针对工程中技术难点，进行具体的分析。

1 工程概况

1.1 结构形式。某高级中学体育馆为大跨度管桁架结构，该体育馆内一楼设置有体操室、健身房、舞蹈房，二楼是一个标准的篮球场，两侧有看台，可以承担一般比赛任务。该工程跨度39m，长度为45m。结构如图1所示。

图1 大跨管桁架结构模型图

结构形式双轴对称，样式轻盈，外观曲线流畅，屋面材料采用铝合金屋面板。结构总共有12根承压柱，由6榀主桁架承重，桁架宽0.8m，高度最小处0.7m，最大处2m，矢高4m。

主桁架上弦杆截面为φ108×8钢管，下弦为φ127×7钢管，腹杆为φ95×6钢管，柱子为φ299×16钢管，钢材材质均为Q345-B。结构纵向通过三角形截面桁架进行拉结并传递横向荷载。桁架支座一端为固定铰接支座，另一端为可以沿桁架跨度方向滑动的滑动支座，以释放温差所引起的变形。滑动支座构造如图2所示。

1.2 荷载。根据规范的规定，屋面恒载、活载及风载的取值如下。

恒载：屋面恒载为0.5KN/m2，屋面吊挂为0.7KN/m2，构件自重通过程序自动计算。

活载：屋面活载为0.5KN/m2。

风荷载：基本风压取0.6KN/m2，B类场地粗糙度。

本工程抗震设防烈度8度，基本地震加速度为0.20g，场地类别为II类，设计地震分组为第二组。 周期不折减，建筑结构阻尼比取0.02。

温度作用： 由于结构跨度大，沿纵向较长，故温度作用对结构的影响不容忽视。设计中计算温差取±30℃。

2 内力分析

工程采用空间结构有限元软件MIDAS/GEN进行整体计算。屋盖的主要荷载包括竖向的恒载和结构自重、活载和风载。结构分析中同时考虑了水平地震作用及温度作用。钢管桁架除上下弦按刚接计算外。其余构件按铰接设计。经分析计算，在各种荷载组合下，各主要杆件的控制内力如表1。

由表1 可以看出，杆件主要由恒载，活载和风载的荷载组合控制，屋盖结构没有考虑上吸风的有利作用，但由于屋盖侧向受风面积较大，所以水平风荷载的作用不容忽视。

表1 各主要杆件的控制内力

杆件 内力/KN

上弦杆 163.0

下弦杆 91.2

腹杆 126.8

柱子 132.5

注： 此处内力指杆件轴力。因为对于上下弦杆的弯矩很小，不起控制作用。

根据规定，对无吊车的屋盖结构，按永久和可变荷载标准值计算的挠度容许值可取跨度的1/250，本工程按永久和可变荷载标准值计算的屋盖结构最大挠度为7.99mm，对应桁架跨度为39m，39000/250= 15.6>7.99，满足要求，同时，屋盖桁架支座一端采用可滑动板铰节点，有利于减少构件内力。

3 动力性能分析

对本工程结构进行自振特性分析，计算振型数取20阶，结构前3 阶自振周期及振型如表2 所示。由表2 可知，T1/T g=4.4，水平地震影响系数处 在设计反应谱曲线的下降段，地震影响系数 值较小。对于大跨度柔性结构，地震作用一般不起控制作用。由结构的阵型图可以看出，第1阶，第 3 阶振型均为横向振型，第2 阶为纵向振型，整体振动明显。

表2 结构前三阶周期及阵型图

阵型号 周期/s 阵型图

1 1.751

2 1.116

3 0.734

4 结语

大跨度钢管桁架结构，由于结构简洁、受力合理、重量轻，经济效益良好，近年来，该结构形式普遍应用于我国大跨度空间结构。本文针对某大跨度管桁架工程，采用大型有限元程序进行了各种工况下的受力分析，指出了对于大跨度钢结构，风荷载成为结构的控制荷载，并对结构进行了地震动输入动力学分析，可以看出，由于大跨度结构刚度较小，因此地震影响系数处于设计反应谱的下降段，地震荷载对结构的影响较小。但是，由于钢结构的稳定性及施工要求高，因此，在满足建筑形式的要求之下，应保证结构体系的稳定性和完整性，对于相贯节点的加工与放样应该进行精确地设计，以保证整体结构的安全性能。

参考文献

[1] 郑江，郝际平，杨晓莉，等.某体育馆复杂空间管桁架相贯节点承载力分析[J].建筑科学， 2013，29（1）.

[2] 谭海滨.浅析钢结构管桁架的设计及施工技术[J].中国房地产业，2013（4）.

[3] 杨石杰.郑州东站五跨连续大跨管桁架安装施工技术[J].建筑技术，2013，44（4）.

[4] 尉洪利，苏毅.西藏会展中心大跨度管桁架吊装施工方案浅析[J].城市建设理论研究（电子版），2013（22）.

[5] 陈君君.大跨度钢结构空问管桁架设计探析[J].科技与生活，2012（22）.

摘 要：管桁架结构建筑外表美观，通透性好，跨越能力强，承载力性能优越，经济效益良好。近年来得到了良好的应用于推广，本文结合实际工程项目，对大跨管桁架结构进行了设计分析，得到了风荷载是本项目结构的控制荷载，进行了结构地震动分析，从结构的振型图可以看出，结构的整体性能良好。本文的结论为工程设计提供了参考和指导。

关键词：管桁架；风荷载；地震动；振型

管桁架结构采用相贯节点，简化了传统球节点的连接方式和构造，省去了球节点及支座的设计，使整个结构简洁大方，以简洁、流畅、美观的视觉效果在大跨空间结构中得到了广泛应用。

管桁架结构具有以下的优点：（1）结构形式简洁、美观，适用于多种结构造型。（2）钢管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，因此管桁架结构几何特性好，刚度大。整体受力合理。（3）管桁架结构施工时将各杆件直接焊接，因而具有施工简单，节省材料的优点。

此外，由于结构外形等特点，还具有便于清洁、防锈、承受风荷载效应较低等优点。但是由于管桁架结构应用时间较短，规范尚不完备，其理论研究不够深入，在具体的设计、施工中需针对工程中技术难点，进行具体的分析。

1 工程概况

1.1 结构形式。某高级中学体育馆为大跨度管桁架结构，该体育馆内一楼设置有体操室、健身房、舞蹈房，二楼是一个标准的篮球场，两侧有看台，可以承担一般比赛任务。该工程跨度39m，长度为45m。结构如图1所示。

图1 大跨管桁架结构模型图

结构形式双轴对称，样式轻盈，外观曲线流畅，屋面材料采用铝合金屋面板。结构总共有12根承压柱，由6榀主桁架承重，桁架宽0.8m，高度最小处0.7m，最大处2m，矢高4m。

主桁架上弦杆截面为φ108×8钢管，下弦为φ127×7钢管，腹杆为φ95×6钢管，柱子为φ299×16钢管，钢材材质均为Q345-B。结构纵向通过三角形截面桁架进行拉结并传递横向荷载。桁架支座一端为固定铰接支座，另一端为可以沿桁架跨度方向滑动的滑动支座，以释放温差所引起的变形。滑动支座构造如图2所示。

1.2 荷载。根据规范的规定，屋面恒载、活载及风载的取值如下。

恒载：屋面恒载为0.5KN/m2，屋面吊挂为0.7KN/m2，构件自重通过程序自动计算。

活载：屋面活载为0.5KN/m2。

风荷载：基本风压取0.6KN/m2，B类场地粗糙度。

本工程抗震设防烈度8度，基本地震加速度为0.20g，场地类别为II类，设计地震分组为第二组。 周期不折减，建筑结构阻尼比取0.02。

温度作用： 由于结构跨度大，沿纵向较长，故温度作用对结构的影响不容忽视。设计中计算温差取±30℃。

2 内力分析

工程采用空间结构有限元软件MIDAS/GEN进行整体计算。屋盖的主要荷载包括竖向的恒载和结构自重、活载和风载。结构分析中同时考虑了水平地震作用及温度作用。钢管桁架除上下弦按刚接计算外。其余构件按铰接设计。经分析计算，在各种荷载组合下，各主要杆件的控制内力如表1。

由表1 可以看出，杆件主要由恒载，活载和风载的荷载组合控制，屋盖结构没有考虑上吸风的有利作用，但由于屋盖侧向受风面积较大，所以水平风荷载的作用不容忽视。

表1 各主要杆件的控制内力

杆件 内力/KN

上弦杆 163.0

下弦杆 91.2

腹杆 126.8

柱子 132.5

注： 此处内力指杆件轴力。因为对于上下弦杆的弯矩很小，不起控制作用。

根据规定，对无吊车的屋盖结构，按永久和可变荷载标准值计算的挠度容许值可取跨度的1/250，本工程按永久和可变荷载标准值计算的屋盖结构最大挠度为7.99mm，对应桁架跨度为39m，39000/250= 15.6>7.99，满足要求，同时，屋盖桁架支座一端采用可滑动板铰节点，有利于减少构件内力。

3 动力性能分析

对本工程结构进行自振特性分析，计算振型数取20阶，结构前3 阶自振周期及振型如表2 所示。由表2 可知，T1/T g=4.4，水平地震影响系数处 在设计反应谱曲线的下降段，地震影响系数 值较小。对于大跨度柔性结构，地震作用一般不起控制作用。由结构的阵型图可以看出，第1阶，第 3 阶振型均为横向振型，第2 阶为纵向振型，整体振动明显。

表2 结构前三阶周期及阵型图

阵型号 周期/s 阵型图

1 1.751

2 1.116

3 0.734

4 结语

大跨度钢管桁架结构，由于结构简洁、受力合理、重量轻，经济效益良好，近年来，该结构形式普遍应用于我国大跨度空间结构。本文针对某大跨度管桁架工程，采用大型有限元程序进行了各种工况下的受力分析，指出了对于大跨度钢结构，风荷载成为结构的控制荷载，并对结构进行了地震动输入动力学分析，可以看出，由于大跨度结构刚度较小，因此地震影响系数处于设计反应谱的下降段，地震荷载对结构的影响较小。但是，由于钢结构的稳定性及施工要求高，因此，在满足建筑形式的要求之下，应保证结构体系的稳定性和完整性，对于相贯节点的加工与放样应该进行精确地设计，以保证整体结构的安全性能。

参考文献

[1] 郑江，郝际平，杨晓莉，等.某体育馆复杂空间管桁架相贯节点承载力分析[J].建筑科学， 2013，29（1）.

[2] 谭海滨.浅析钢结构管桁架的设计及施工技术[J].中国房地产业，2013（4）.

[3] 杨石杰.郑州东站五跨连续大跨管桁架安装施工技术[J].建筑技术，2013，44（4）.

[4] 尉洪利，苏毅.西藏会展中心大跨度管桁架吊装施工方案浅析[J].城市建设理论研究（电子版），2013（22）.

[5] 陈君君.大跨度钢结构空问管桁架设计探析[J].科技与生活，2012（22）.