某会议中心钢结构设计研究

王彦斌

（甘肃省建设设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 引言

某会议中心建筑外形呈花瓣绽放状椭圆形，工程建筑面积为10.5万m2，地下1层，地上5层，建筑高度为64.5m。为满足会议功能要求，5楼设计为宴会厅，宴会厅高度为14m，空间设计规格为100.8×64.8m。主体结构采用现浇框剪剪力墙结构，局部采用钢混结构，采用钢结构屋盖。由于本工程钢结构屋盖较为复杂，最大跨度为45m，结构受力较大，为确保钢结构屋盖稳定性，本文对屋盖结构体系设计进行深入研究[1]。

1 屋盖结构体系设计

项目钢结构屋盖结构为平面两侧对称结构，屋盖结构双侧均由3片钢结构组成，3片钢结构自下而上分为3层，尺寸不一，且均存在一定程度的外挑。上片结构为钢屋盖主体结构，在结构设计时，为确保上屋盖主体结构与中片、下片钢结构协调衔接，在5层上部区域增设双向钢桁架转换钢柱，以满足屋盖钢结构支承要求。屋盖中篇与主体结构连接。由于下片钢结构悬挑尺寸较大，在结构造型设计时，沿下部钢结构外沿设置斜钢柱作为结构支承。斜钢柱根据下部钢结构造型变化，斜钢柱长度在23～29m范围内，倾斜角度为8°～19°。

三片钢结构在会议中心尾部收缩靠近，在支座部位形成整体，支承在会议中心主体结构混凝土楼面上。三片钢结构尾部收缩为“牛角”形，最大悬挑跨度达45m，荷载集中，悬挑部分结构受力大。为分散结构荷载，屋盖主体钢结构设计采用H型钢，尾部结构设计为圆钢管，均为Q345-B型材质。

在整体结构设计的基础上，为便于研究钢结构整体荷载和稳定性，使用MidasGen软件建立屋盖钢结构三维模型，与下部主体结构整体计算。计算时，主体结构为钢混结构，屋盖结构为钢结构，两者材质不同，阻尼比存在差异，根据相关技术规范，屋盖结构和主体结构阻尼比分别取0.03、0.05，并综合考虑两者之间的相互作用影响，以此研究结构设计合理性[2]。

2 钢结构线荷载与效应组合

通过建立三维结构荷载模型，分析研究荷载类型和荷载组合如下：

2.1 荷载类型

屋盖钢结构恒载标准值为0.7kN/m2，活荷载标准取值0.5kN/m2，基本风压按50年重新期取值0.4kN/m2，地面粗糙度B类。由于会议中心造型较为特殊，考虑到屋盖结构和幕墙结构遇大风时的兜风作用，在风荷载验算时按1.4kN/m2（满布）、0.8kN/m2（半部）和0.8kN/m2（半布风吸力）计算。

温度荷载核算时，针对屋盖结构纵向、横向跨度较大的情况，屋盖结构受温度作用影响显著，考虑到会议中心所在地区季节温差较大，因此，温度荷载取值为±25℃温差计算。

本工程抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为6度，场地设计地震分组为第Ⅰ组，场地类别类别为Ⅲ类软弱地质。

2.2 荷载组合

在钢结构整体计算时，综合考虑屋盖结构整体恒荷载、风荷载、活荷载及地震作用对结构的不利影响，风振系数取1.3，则验算钢结构荷载组合为：①1.2恒载+1.4活载；②1.0恒载+1.4风载（吸）；③1.2恒载+1.4活载+1.4×0.6风载；④1.2恒载+1.4风载+1.4×0.7活载；⑤1.2恒载+温度荷载；⑥1.2恒载+1.4活载+问对荷载；⑦1.0恒载+1.4风载（吸）+温度荷载；⑧1.2恒载+1.2×0.5活载+1.3地震+0.7风载；⑨1.35恒载+1.4×0.7活载+1.4×0.6风载。

3 钢结构设计

3.1 主桁架设计

钢结构主桁架设计时，以横向11榀桁架和和3榀纵向桁架组成双向转换桁架。横向桁架布设间距为8.4m，跨度64.8m。根据屋盖结构造型，中间桁架高度为6.0m，两侧横向桁架以0.6m幅度下降高度，边缘横向桁架高度为3.0m。纵向桁架高度呈梯形下降趋势。考虑到会议中心内部功能性要求和建筑吊顶要求，纵、横向桁架底部高度保持一致。

横向桁架上下弦杆、腹杆均为宽翼缘H型钢。为确保结构稳定性，在横咋桁架设计时，设计3种弦杆（H700型H型钢）、腹杆（H350型H型钢）组合方案，并进行方案设计比较。方案①：桁架两侧与钢柱刚接，腹杆和弦杆采用铰接连接方式；方案②在方案①基础，调整距支座第二节间距斜腹杆方向，桁架与钢柱连接采用铰接方式，与第一节平行；方案③在方案②基础上将桁架连接调整为刚接[3]。

经验算3种方案荷载，在恒载和活载组合作用下，3种方案变形分别为96.94mm、100.86mm、98.91mm，其中，方案①变形较小，但上弦杆和弦杆应力比差异较大（0.886、0.707），接近于材料设计值。方案②将第二节斜腹杆压杆通过优化设计调整为拉杆，有效降低了腹杆受到应力，但结构变形略有增加。与方案②相比，方案③上弦杆应力减小，下弦杆和腹杆应力增加，但均小于方案①，且方案③上、下弦杆受到的应力均为均衡，变形量小于方案①和方案②。经综合对比三种方案结构受力，本设计选用方案③作为主桁架设计方案。

钢柱作为桁架支承结构，其承载力性能应满足结构设计要求，设计采用截面1600mm×1200mm钢柱，经验算，钢柱结构承载力和变形均符合结构设计要求。考虑到横桁架跨中腹杆应力较低，将部分腹杆调整为H300型钢后，桁架位移增大，最大位移为105.54mm，能够满足腹杆L/400跨中要求，因此，腹杆对桁架刚度贡献较大，仅调整腹杆大小，即导致哦桁架刚度下降、位移增加，增加腹杆长度则桁架刚度增加、位移减少，

3.2 屋盖尾部结构设计

在屋盖尾部结构设计时，为满足屋盖结构尾部造型要求，支撑结构最大跨度为45m，里面造型需达到镂空效果，如上中下三片钢结构分散受力支承必然导致结构高度增加，且在结构尾部造成三片钢结构重叠，不能满足结构造型要求。基于该问题，在钢结构设计时，须将钢结构在屋盖尾部形成共同受力结构体系，竖向投影重叠部分增加，并能够体现层次变化，但难以找出受力结构空间，因此，设计屋盖尾部结构时，应结合屋盖造型变化，通过变截面倒三角桁架将钢结构荷载传导至支承结构，从而满足三片钢结构受力要求。三角桁架设计置于中片、下片结构内，由于尾部钢结构悬挑较大，单独受力难度较大，借助杆件将两片钢结构组合形成四边形桁架，通过将两种咋桁架组合形成受力结构体系。组合受力结构体沿中、下片钢结构水平布置，每4m设置一道，且组合受力体系随尾部结构逐渐减小，尾部倒三角桁架尺寸为2.7m[4]。

尾部桁架受力构件为钢管，钢管构件选择直接影响结构受力，从而影响屋盖结构稳定性。根据已有研究成果和工程设计经验，主管直径与支管直径比为1∶0.4～1∶0.75时，壁厚比为1∶0.5～1∶0.8时，桁架受力均衡。在尾部桁架受力计算中，按0.9计弦杆长度系数，腹杆长度系数取0.75，受弯管件刚度和转动性能对长度和计算影响较大，但尚未形成统一的结论，结构设计时可按1.0验算。桁架受力设计计算时，下弦杆选用直径400mm厚14mm钢管，腹杆选用直径273mm厚10mn、直径219mm厚度9mm和直径159mm厚度8mm的钢管，经验算管件受力能够满足尾部钢结构受力要求。尾部桁架设计为管式交汇相贯通节点，主管与支管轴线夹角大于30°，支管管间间距大于5mm，防止焊接时因距离过小而会影响焊接质量和结构受力。

3.3 尾部支座设计

会议中心屋盖尾部结构设计14个支座，采用铰接方式连接，防止混凝土构件承受钢结构弯矩。支座落在主体结构预埋件上，最大支座压力大于1600kN，最大水平向推力大于1800kN。由于预埋件承受的剪力较大，为平衡剪力作用，将预埋件顶面设计为15°倾角，将水平推力转为支座的拉应力，从而降低尾部桁架结构受力体系对预埋件的剪力作用[5]。

此外，针对支座结构受力较大的情况，对支座部位混凝土受压承载力进行验算，支座混凝土厚度增加至600mm，并加强配筋至0.25%后可满足支座受力要求。

4 结语

本工程中，屋盖结构采用大跨度双向桁架屋盖钢结构体系，主跨桁架两侧与钢柱采用刚接方式连接，腹杆与弦杆采用铰接方式连接，斜腹杆采用受拉设计。经对比结构设计方案，该方案受力合理、均衡，可满足屋盖钢结构体系稳定性、安全性要求。屋盖尾部结构采用倒三角桁架与四边形钢管组合形成的受力结构，并通过管件型号选择，满足了尾部结构受力要求。通过屋盖钢结构优化设计，在保障了结构受力的前提下，实现了会议中心造型设计要求，提高了钢结构设计的合理性、科学性。