广东省建筑设计研究院 广东，广州 510000
摘要：某职业院校的风雨操场，建筑面积5800m2，平面较为规整。下部为钢筋混凝土框架结构，上部轻钢屋盖为单向管桁架结构体系。本文通过该工程的结构布置，计算分析，要点难点等内容，分别进行阐释，供同类工程参考。
关键词：风雨操场；大跨度钢管桁架；设计要点；
1 工程概况
本工程为中等职业院校新校区的风雨操场，共三层，总建筑面积为5800平方米，设有室内篮球场、乒乓球室，健身室等。建筑首层为比赛服务与体育活动区，二至三层为观众席。
结构抗震等级为二级，结构安全等级为二级，下部为混凝土框架结构，上部屋盖大跨度钢结构管桁架结构。屋盖管桁架均采用无缝钢管Q235B，节点均为相贯焊。
2 管桁架结构设计
2.1 结构体系概述
根据柱网及建筑平面，考虑到屋盖的Y向跨度为40m，X向跨度为56m，综合工期、造价成本及结构受力等考虑后，本工程采取单向管桁架结构体系。桁架跨度为40m，为6榀倒三角立体管桁架。空间管桁结构的上、下弦同腹杆处在三角形截面上，这种结构的跨度大，受力性能好，上下弦杆件的截面比较协调，整体稳定性高。这种结构方式减少了支撑构件的数量，降低了檩条等次结构构件的跨度，因此也具备一定的经济性。
左右两侧的受荷面积仅为中间的一半，受力较小，且结合建筑的立面考虑，最终采用平面管桁架。为了让钢结构形成一个独立的抗侧力体系，上下两侧也分别加设了一道平面管桁架。从轴测图可以看出，该结构体系受力明确，传力直接，概念明了。
GEN模型概况图
2.2 结构设计条件
楼盖荷载计算：
恒荷载：取0.3kN/m2（不包含桁架主结构自重）
活荷载：取0.5kN/m2
附加线恒载：布置在每一榀管桁架中，其中马道取1.5kN/m（恒荷载），吊灯、音响设备等取1.5kN/m（活荷载）
风荷载：按荷载规范中的相关系数考虑，尤其是负风压的影响
PMSAP中的模型（按实际建立钢结构屋盖）
2.3 结构分析软件
PKPM-SATWE用于下部的混凝土结构设计、 MIADS/GEN用于上部的钢结构屋盖设计， PKPM-PMSAP用于整体结构模型的校核。
基于本工程为大开间的空旷结构，故SATWE和PMSAP均不采用刚性楼板计算位移和周期等总体信息。整体结构的参数控制，主要依据PMSAP的总体信息（PMSAP计算配筋时，板均为普通的刚性板，计算总体信息时大开洞周边板块取为弹性膜）。SATWE中的总体信息，仅作为设计时的参考。
3 管桁架结构设计的几个要点
3.1桁架稳定性分析
对钢结构而言，结构设计中的难度和要点，往往集中在稳定性。稳定性分为平面内稳定性以及平面外稳定性。对于立体空间管桁架，单个构件的稳定性，可通过节点距离及套用《空间网格结构技术规程》中的各部分杆件的长度系数，得出杆件的计算长度。然后结合计算分析中的节点内力，评判杆件的稳定性。
对空间管桁架，还存在整体的平面外稳定的问题。有研究表明，对倒三角立体桁架，宽高比越小，截面的平面外抗弯刚度和抗扭刚度越低，稳定承载力越低；截面的高度与桁架的跨度比值越小，截面的抗扭刚度越低，稳定承载力越低。截面的宽高比a /h和桁架的高跨比h / l两个因素，显著影响平面外稳定[1]。
对本工程而言，中间6榀倒三角立体桁架，跨度为40m，单榀桁架的宽度为2m，桁架的高跨比为1/16，桁架平面外的承载力高于强度承载力。左右两侧的平面桁架，为了加强构造措施，每隔8m设置一道刚性系杆和内侧的立体桁架相连。并且按照构造要求和承受横向风荷载和地震作用的要求，在两侧布置水平交叉支撑。
3.2边界条件的假定
结构概念设计及计算时，应根据结构形式、支座节点的位置、数量和构造情况以及支承结构的刚度，确定合理的边界约束条件。对于立体管桁架，支承节点的边界约束条件应按实际构造假定为两向或一向可侧移、无侧移的铰接支座或弹性支座[2]；
若本工程采用无侧移的铰接支座或弹性支座，大跨度桁架将对支撑处的混凝土柱顶产生一个比较大的推力；由于支撑的混凝土柱从12米的标高开始，一直到18米柱顶为单排柱，受力不利，因而需要采取特别的措施。
基于降低桁架对柱子产生的推力的考虑，本工程采用一侧铰接，一侧滑动的模型建模计算。在桁架支座节点的设计中，通过在支座垫板和底板处开长圆孔，留出一定的支座滑移量。这样对桁架而言，受力明确，符合实际。
3.3挠度的计算以及控制
对轻型钢桁架屋盖而言，跨度大，钢结构刚度小，挠度的计算和控制，可能会成为控制杆件尺寸和桁架尺寸的要点。
空间网格结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值不宜超过 《空间网格结构技术规程》表 3.5.1 中的容许挠度值。
本工程由于在立体桁架内设置检修马道，为了满足间距的要求，倒三角桁架的尺寸比较大，刚度也比较大，跨中最大挠度为80.5mm，满足规范要求。
在该工程的设计中，通过试算可以发现，若屋盖的荷载较大（如保温隔热层较厚），桁架高度受限等，导致钢桁架的刚度不足，挠度过大，简单通过增大杆件的尺寸，效果一般，且经济性较差。建议在同类工程的设计中，碰到挠度控制的情况，在满足应力比和稳定性的前提下，适当参照规范的指引，预先起拱。当仅为改善外观要求时，最大挠度可取恒荷载与活荷载标准值作用下挠度减去起拱值[2]。
4 结语
从实际的工程出发，本文通过对该风雨操场大跨度管桁架的设计和分析，提出了关于大跨度管桁架设计中的要点和难度。本文阐述了桁架的结构布置，设计方法，桁架的平面外稳定问题等，对其他的同类相似工程有一定的参考价值。
参考文献
[1] 董一萌 管桁架的平面外稳定问题的研究［J］．结构工程师，2006.
[2] JGJ7-2010 空间网格结构技术规程［S］．
[3] GB 50017- 2003 钢结构设计规范［S］．
论文作者:黎振浩
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/19
标签：桁架论文; 结构论文; 荷载论文; 挠度论文; 支座论文; 平面论文; 刚度论文; 《基层建设》2017年2期论文;