酒店大堂空间桁架结构设计及分析

王　利　中国成达工程有限公司　成都　610041梁焕新　成都大学城乡建设学院　成都　610106



酒店大堂空间桁架结构设计及分析

王利*中国成达工程有限公司成都610041梁焕新成都大学城乡建设学院成都610106

摘要某酒店大堂为单层大跨门式空间结构,主体结构为三角形钢管桁架形式, 弦杆和腹杆为焊接直缝钢管。采用MIDAS/Gen软件, 对结构在各主要荷载组合工况下的受力进行了分析, 对计算结果进行优化设计，并分析了结构的几何非线性和动力特性。恒载、最不利活荷载和风荷载组合为结构的最不利工况，该酒店大堂结构受力合理, 结构的可靠性、稳定性均满足要求，可供类似工程参考。

关键词大跨度结构空间桁架 温度应力滑动节点几何非线性

*王利：国家一级注册结构工程师，高级工程师。2005年毕业于北京工业大学结构工程专业获工学硕士学位。主要从事结构设计及技术管理工作。联系电话：(028)65531354，Email：wangli1354@chengda.com。

近10年来，随着我国经济的发展和科学技术的不断进步，大跨度空间钢结构相应进入了一个蓬勃发展的时期，空间钢管桁架结构作为大跨空间结构的一个分支，已大量应用到各大工程中，空间管桁架结构有其自身优点，主要是利用钢管的优越受力性能和美观的外部造型构成独特的结构体系，满足钢结构的最新设计概念：钢管截面各向等强度，抗扭刚度大，受弯无弱轴，承载能力高，端头封闭后抗腐蚀性能好，整体简洁，轻巧美观，视觉效果好，易于清洁等。因此钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程、塔桅工程中都得到了广泛的应用，在民用建筑中的应用也日益广泛。

1工程概况

该项目位于拉萨市郊，毗邻西藏大学新校区，拉萨河岸边，正对布达拉宫，是拉萨市级别最高的酒店。该项目4栋酒店共用一个大堂，大堂为单层建筑，根据功能分为：大堂入口及接待中心，商业及游泳中心两部分。平面尺寸244m×85m，其中大堂入口及接待中心为三角形，檐口高度10m，顶点高45m；商业及游泳中心檐口高度25m，顶点高33m，建筑立面见图1。

建筑要求达到全通透视觉效果，屋面、墙面采用双层真空隔热玻璃，屋面玻璃通过龙骨放置于矩形钢管檩条上，并增加玻璃肋板保证真空玻璃的平面刚度，墙面玻璃为点吸式连接到墙面檩条上。工程设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级, 结构构件的重要性系数取1.0, 建筑的耐火等级为二级。

图1　建筑立面

2结构布置及选型

为实现建筑效果，屋面尽量少布置杆件，经过多种方案比较和分析，最终确定大堂结构采用倒三角形门式空间管桁架结构。钢材全部采用Q345B，以焊接直缝钢管为主，配合少量热轧无缝钢管。每榀桁架中心间距18m，净距15m，桁架节间距3m，屋面檩条间距3m，檩条放置于桁架上弦节点上，在檐口高度与三角形桁架屋脊高度处设置封口桁架，传递水平作用力，其结构平面布置见图2。

商业及游泳中心采用管桁架1结构形式：双坡排水弧形屋面，矢高8m，见图3。格构柱尺寸3m×3m，上、下弦杆等截面，腹杆根据受力大小、位置不同截面大小不同；桁架梁尺寸3m×4m(宽×高)，上、下弦杆，腹杆根据受力大小、位置不同截面大小不同。

图2　结构平面布置

图3　管桁架1

大堂入口及接待中心采用管桁架2结构形式：双坡排水斜屋面，见图4。格构柱尺寸3m×3m，上、下弦杆等截面，腹杆根据受力大小、位置不同截面大小不同；桁架梁尺寸3m×3m(宽×高)，上、下弦杆，腹杆根据受力大小、位置不同截面大小不同。

图4　管桁架2

为避免球节点对整体视觉效果的影响，连接方式采用空间相贯链接节点，见图5。对于桁架下弦与格构柱连接节点(柱顶节点一)，因杆件多，受力大，同时也是最重要的连接点，弦杆之间的连接焊缝质量等级为一级，100%探伤，保证焊缝质量，同时为增加局部稳定性能，节点区域内部还灌满C30细石混凝土。

图5　桁架相贯节点

由于大堂外壳为连体结构，总长244m，属于超长结构，必须考虑温度应力的影响，为了减小由于温度因素引起的应力，并适应大跨度屋面温度变形的要求, 在结构纵向中部，檩条与钢桁架连接采用滑动节点连接(滑动节点位置见图2)，其他部位檩条采用焊接方式与桁架上弦连接。

该工程的耐火设计：主体管桁架结构耐火极限取2.5h。

3结构计算分析

3.1结算模型及基本假定

采用通用有限元计算软件MIDAS/GEN Ver.780建模，计算分析,柱脚采用刚性外包式柱脚。每个腹杆划分为一个桁架单元, 弦杆则在每个节间划分为一个梁单元。檩条为箱形截面，划分为梁单元，与桁架上弦铰接连接，在中间滑动节点处释放Y向位移约束，减小由于温度变化引起的应力。单元在每个节点上有六个自由度, 材料的弹性模量Es = 2.06×105N/mm2, 泊松比μ= 0.3, 材料的屈服强度为345MPa。计算模型见图6。

图6　3D空间模型

3.2计算参数

3.2.1荷载标准值

(1)静荷载标准值：屋面板自重为0.5kN/ m2, 檩条及钢桁架自重程序自动计算，其它外加荷载0.1kN/ m2, 且单点吊重不大于10kN。

(2)活荷载：屋面活荷载标准值为0.30kN/ m2。

(3)温度差：±15℃( 结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值)。

(4)风荷载：0.3kN/ m2，在进结构计算时, 体型系数根据《建筑结构荷载规范》确定。风振系数取1.5。

(5) 地震作用：地震烈度：8度；地震加速度：0.2g，第二组。

(6) 场地类别：Ⅱ类，设计特征周期：0.40s。

3.2.2荷载组合

根据《钢结构设计规范》及《建筑结构荷载规范》要求，共采用52种荷载组合，同时还有3种内力包络图工况，控制荷载组合为：sLCB13 和 sLCB2，最终设计依据包络图工况进行。

3.3优化分析及静力计算结果

3.3.1优化设计

门式空间桁架结构设计主要影响参数：矢高、桁架尺寸、格构柱尺寸、桁架净距。为实现结构安全可靠且经济合理，在满足建筑要求的条件下，对门式空间桁架结构主要设计参数中的矢高和桁架高度参数进行优化分析，根据建筑功能要求及计算分析，格构柱尺寸统一为3m×3m，立体桁架梁的宽度定为3m，桁架间距为18m，矢高：根据该结构特点，矢高过小结构挠度位移很难满足规范要求，矢高过大，则会产生很大的水平推力，同时建筑要求尽量控制弧形屋面的曲率，最终确认采用5m和8m来进行优化设计；桁架高度：满足结构受力和变形要求，根据经验及构造要求，桁架高度取值为3m、3.5m、4m和5m。分别对6种结构方案进行了计算分析，用钢量计算结果见表1。

表1　不同方案用钢量计算结果

总用钢量包含檩条重量，6种方案中檩条重量相同，因此用钢量的差别即为门式空间桁架的重量差别。通过对比分析，Sch 6能够得到较好的经济指标，为相对最优方案。

3.3.2静力计算结果

由于结构构件较多，仅按照截面类型给出最大内力计算结果，结构的杆件应力为各种组合工况下的最大应力结果，构件设计验算结果见图7。从验算结果看出, 构件的强度满足要求。挠度为恒载和活荷载标准组合下X、Y、Z三向的最大位移，形状见图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。《钢结构设计规范》及《空间网格结构技术规程》中对于大跨度屋盖结构及立体桁架的挠跨比规定为1/250,侧向位移按照檐口高度的h/400控制，因此结构的挠跨和位移皆满足规范的要求。

目前，对于该结构形式的设计，国内相关的设计经验很少，且结构安全等级为一级，8度设防，为满足安全可靠性，采用了各种组合情况下最大内力包络图状态构件的内力值作为结构设计的依据。 在此工况下,立体桁架梁的下弦杆与格构柱连接节点处受力最大, 上弦杆在两端最大，其次是中心处受力较大,1/4跨处最小，腹杆的受力在支座附近比较大, 在跨中较小。

图7　构件设计验算结果界面

图8　3D位移计算结果形状

3.4结构的整体稳定性分析

3.4.1结构特征值屈曲分析

通过MIDAS/Gen软件, 采用子空间法进行计算得到屈曲荷载系数为26.89, 不同模态特征值屈曲分析结果见表2。

表2　特征值屈曲分析结果

特征值屈曲分析得到的是屈曲荷载的上限, 特征值屈曲的初阶屈曲模态的形状可以作为施加初始缺陷或扰动的依据。

3.4.2结构非线性屈曲分析

通过MIDAS/GEN软件, 采用弧长法对结构进行非线性屈曲分析。结构的初始缺陷是将特征值屈曲分析的第一阶屈曲模态作为初始缺陷的分布模态, 并对初始模态最大值进行调整，初始缺陷最大值取跨度的1/300。经计算得到结构的荷载位移曲线见图9。根据第一模态失稳位置可以看出, 结构发生的是分支点失稳,失稳系数为μ=24.497(μ大于5.0机满足要求)，参照MIDAS技术说明，失稳系数仅为可变载的放大系数，因此结构发生失稳破坏时的荷载标准值为DL+24.497LL=8.1kN/m2。因此,结构的稳定性满足要求。经计算结构中压杆的整体稳定满足要求。

图9　非线性屈曲分析结果

3.5结构的动力特性分析

3.5.1模态分析

将屋面的恒荷载转化为结构的等效质量, 把等效质量单元加到模型的节点上, 利用Block Lanczos 方法对计算模型进行模态分析，表3给出了6个振型的自振周期。

表3　周期、振型及质量参与系数分析结果

3.5.2地震反应谱分析

该结构的抗震设防烈度为8度, 场地类别为Ⅱ类,场地固有周期为0.40s。结构的阻尼比取0.02, 地震影响系数αmax=0.16。根据以上参数, 按抗震规范[ 4]的规定计算了此情况下的地震影响系数曲线, 考虑三维地震反应，输入X、Y和Z方向的地震加速度。由于结构跨度、体型较大，杆件数量多，高频振型密集，通过计算得知，直到60个振型才满足抗震规范要求的质量参与系数。三个方地震质量参与系数分别为：X-91.1%；Y-90.83%；Z-90.05%。表3为前5阶和第60阶振型和周期。

根据计算结果，第2～4振型都有较大竖向振动参与系数, 结构变形主要集中在跨中附近。由于结构的跨度较大, 平面外刚度相对较小, 故竖向位移振幅相对较大，图10给出1、2、3和5振型图。

4结语

目前该建筑已通过竣工验收，并投入使用，结构轻巧而美观，见图11。

图11　结构主体安装竣工后效果

(1) 对于门式空间桁架结构，合理的选择桁架矢高和自身的尺寸能够有效地控制结构用钢量，降低项目投资，取得良好的使用和经济效果。建议，矢高取短向跨度L的(1/15～1/8)，跨度大者取大值，立体桁架的高度取短向跨度L的(1/30～1/20)，跨度大者取大值，立体桁架的宽度取其高度的(1/3～1/1)，同时考虑结构的柱网间距确定。取值参数也可以参考《空间结构》中建议取值方法。

(2) 结构计算表明： 恒载、最不利活荷载和风载组合工况为结构的最不利工况, 可作为设计的依据，安全起见，也可采用内力包络图作为设计依据，在此2种工况下结构的强度和整体稳定性均满足要求。地震荷载对结构的设计不起控制作用。

(3) 通过结构的稳定性计算可知： 该空间钢管结构的失稳为分支点失稳, 添加了初始缺陷后, 促进结构的失稳。由于该立体桁架空间相互作用明显，有较高的稳定承载力，根据计算结果可知，该结构对初始缺陷不太敏感。通过计算，结构的稳定性满足规范的要求。

(4) 通过结构的动力特性分析可知: 结构的基本自振周期较长，前3个周期衰减尚可，但以后的高频振型很密集，要计算很多振型才能满足抗震计算要求，除第一振型沿纵向平动外，其它振型都是X、Y和Z三向同时参与，总体竖向刚度相对较小，挠度较大。通过地震反应谱分析可以判断结构的主要振动形式，并根据分析情况可以进行地震作用力的计算。

参考文献

1GB 50017- 2003，钢结构设计规范[S].

2GB 50009- 2001(2006)，建筑结构荷载规范 [S].

3JGJ 7- 2010，空间网格结构技术规范[S].

4GB 50001- 2008，建筑抗震设计规范[S].

5董石麟等. 空间结构[M] . 中国计划出版社.

(收稿日期2015-08-26)