乐园建筑大跨度钢结构屋盖设计选型分析

文／郑建文 上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200000

引言：

随着人民生活水平的提高，很多主题游乐园应运而生。此类建筑有一些特殊性，即室内空间跨度净高要求较大，而且为满足建筑装饰外表皮造型要求，需要在主体结构上附加装饰造型构筑物，由此而产生较重的屋顶荷载，区别于体育场馆或交通枢纽建筑屋顶荷载较轻的特性，对于此类建筑的大跨度屋盖的结构选型及设计分析在整个项目设计中具有关键意义。

1、项目概况及设计重点

1.1 项目概况

本项目位于江苏省某市，建筑单体为平面呈矩形，两方向长度分别为125m 和90m。的矩形，，为单层空旷建筑，无地下室，大屋面结构高度为35m,建筑装饰造型最高高度为63m。大跨度屋盖的平面接近正方形，长x 宽=99mx90m，建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

1.2 设计重点

本项目的特点决定了结构设计重点在大跨度屋盖的结构分析，本文主要从以下几方面展开屋盖的结构设计：

（1）大跨度屋盖的结构选型分析。

（2）屋盖结构支座形式选取及计算。

（3）复杂节点应力分析。

2、大跨度屋盖的结构选型

2.1 设计思路

出于经济性考虑，本项目下部主体结构采用钢筋混凝土结构，上部屋盖拟采用钢结构。由于本项目屋盖平面达99mx90m，且属于重屋面荷载，采用较为常用的钢结构网架优势不大，且网架杆件数量多，高空施工焊接量大。故本项目初步考虑钢桁架结构，分别对单向平面桁架、双向平面桁架、双向空面桁架这三种布置形式，从结构合理性、经济性、建筑可用性等几方面进行对比分析，从而选出最适合的方案。针对本项目复杂情况，为分析全面透彻，采取钢结构屋盖和下部主体整体建模计算，分析整体位移、自振周期、支座反力、竖向构件轴压比以及杆件内力等。

2.2 设计参数和荷载

本项目建筑抗震设防类别：标准设防（丙类）。抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组第一组。场地特征周期0.35s，场地类别Ⅱ类。抗震等级：下部主体为大跨度单跨框架，混凝土框架抗震能级提高到一级；钢结构桁架三级。结构阻尼比：0.05（混凝土），0.02（钢）。

大跨结构设计基本由竖向荷载占主导作用，因此竖向荷载的精确计算对结构的安全性和经济性至关重要。屋面结构自重中，除屋面楼板自重、下部吊挂荷载外，屋顶的建筑找坡和建筑装饰造型也占了相当大的比重。因屋面平面尺寸大且建筑限高，本项目屋面找坡如采用结构找坡，找坡的最高点已超过建筑限高，经研究采用多点虹吸排水，降低找坡高度，并采用轻质材料以降低找坡自重。

建筑装饰造型采用轻钢结构，对高度较高的造型与主体结构整体建模计算。

温度荷载：有室外保温结构，按结构合拢基准温度20 度，最大温差±35 度考虑。平坡屋面为风吸力，对桁架计算有利，设计时未考虑风荷载有利作用。

2.3 屋盖钢桁架结构选型

屋盖钢桁架分别进行以下结构方案选型对比：方案1-单向平面桁架、方案2-双向平面桁架、方案3-双向空间桁架三种结构方案进行对比。

采用YJK 计算软件，为减少对比工作量，在钢桁架方案对比阶段，钢桁架与下部主体结构均采用固定铰支座连接，进行不同结构形式的分析计算，在满足规范要求的结构变形和舒适度要求如表1的前提下，初步计算结果如下：

单向单榀桁架钢结构：X 方向布置单向单榀钢桁架，跨度99m,共布置五榀，每榀桁架间距15m。计算要求桁架高度9m,弦杆截面：□950x950x50x50。如图2

图2 单向单榀桁架钢结构布置图

双向单榀桁架钢结构：X 方向布置五榀单榀钢桁架，跨度99m,每榀桁架间距15m。Y 方向布置六榀，跨度90m,间距约14m。计算结果桁架高度8m，弦杆截面：□800x800x45x45。

双向空间桁架钢结构：X 方向布置五榀空间钢桁架，跨度99m,每榀桁架间距15m。Y 方向布置六榀空间桁架，跨度90m,间距约14m。结算结果空间桁架高7.0m，宽4.0m（杆件中心距离）。支座处采用变截面，变截面桁架最小高度1.8m。

从以上试算结果，单向单榀桁架受力平均清晰，但是截面高度太大，影响空间净高，且平面外稳定性较差。相较于双向单榀桁架，从整体受力来看，双向空间桁架力的传递更合理，材料的性能可得到更大程度的利用，此外，空间桁架本身为高次超静定结构，比双向单榀桁架稳定性更强，通过对比，双向空间桁架的桁架高度以及用钢量更占优势。因此，本项目钢结构屋盖最终选用双向空间钢桁架结构形式。

2.4 双向空间桁架计算

对空间桁架的杆件截面进行进一步分析计算，以求选择更加经济合理的杆件。选择矩形管桁架和圆管桁架作对比。结构布置均为X 方向布置五榀空间钢桁架，跨度99m,每榀桁架间距15m。Y 方向布置六榀空间桁架，跨度90m, 间距约14m。结算结果空间桁架高7.0m，宽4.0m（杆件中心距离）。支座处采用变截面，变截面桁架最小高度1.8m。布置图如图3。

图3 空间桁架布置图

经计算，采用矩形钢管空间桁架屋盖体系总用钢量约4600 吨，而圆管桁架屋盖体系总用钢量约4900 吨，两者相差约6%。两种截面下，屋盖中部挠度都在1/400 左右，均能满足规范要求。用钢量差距不大。综合对比优缺点如下表1：

表1 矩形钢管和圆形钢管对比

两种截面形式各有利弊，含钢量差距也不大，本项目考虑工厂生产加工因素，最终选择矩形钢管空间桁架结构屋盖。见图4

图4 矩形钢管空间桁架立面及顶视图

采用YJK 和MIDAS GEN 计算软件，主体结构按弹性模型计算，桁架支座形式：一端为铰支座，另一端为带阻尼滑动支座，进一步整体计算结果如下表2、表3。

表2 周期计算结果

层间位移（mm）最大层间位移角YJK YJK多遇地震X 向26 1/887 Y 向32 1/750

表3 位移计算结果

周期T3/T1 ＝0.724＜ 0.90，且多遇和罕遇地震下最大层间位移角均满足规范要求。

此外，桁架最大竖向位移及挠度分别按标准组合和竖向地震组合进行计算，也满足规范要求。见表4

表4 最大竖向位移及挠度计算结果

3、杆件内力、温度应力及支座分析

本项目在进行杆件内力分析时根据抗震规范要求，对框架柱、框架梁、桁架关键构件分别进行内力调整。

经YJK 和MIDAS 两种计算软件计算，构件应力比、长细比均满足规范要求，应力比最大值为桁架下弦杆长细比0.9。

对本项目这种跨度较大的空间桁架钢结构，温度影响很明显，特别是温差产生的应力影响。对于不同约束条件的钢结构，随着约束条件的变化，产生的温度影响也有很大差别。如采用两端铰接支座，则无法充分释放温度应力产生的影响，弦杆中将会产生较大的拉力或是推力，并且对下部混凝土支承结构作用力增大。因此，本项目支座考虑一端铰接一端滑移形式，支座一端采用带阻尼的双向滑移支座，另一端采用固定型球铰支座。

支座处的杆件，受力复杂且重要性高，针对此节点，增加节点应力分析，选用ANSYS 计算软件，最大应力295KN/m2。

支座分析模型见图5，节点主要杆件内力见表5。

表5 节点主要杆件内力

图5 支座分析模型

结语:

随着建筑行业发展，越来越多的特殊建筑需要采用大跨度（接近百米）大空间的结构形式。本文通过实际主题乐园项目的典型案例，通过类比、计算、分析，得出以下结论：

（1）对于大跨度重荷载的钢结构，采用双向空间桁架更有利于整体受力、稳定性强、经济性合理。

（2）针对大跨度钢结构，需充分考虑温度应力影响，并选择合适的支座形式，一端采用带阻尼的双向滑移支座，另一端采用固定型球铰支座，可释放一定的温度变形应力及地震力影响，提高结构性能。

（3）对于复杂钢结构钢件及节点计算分析应充分，并综合考虑工厂加工等因素，选择更优结构杆件和节点形式。

图6 支座节点详图