崔灿 刘少武
广州市城市规划勘测设计研究院 广州 510060
摘要：云浮体育场屋盖结构采用空间桁架结构体系，本文根据工程特点，首先对屋盖钢结构进行荷载态及动力特性分析，然后使用MIDAS/GEN软件对屋盖结构的整体稳定性进行计算分析。分析结果表明，屋盖结构既能满足建筑外观要求，又具有合理的受力体系，结构的受力性能及抗震性能能够满足规范要求。
关键词：空间桁架结构体系；荷载态分析；动力特性；整体稳定
Application of Long-span Space Truss Structure in Yunfu Stadium
Can Cui，Shaowu Liu
Guangzhou Urban Planning and Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China
Abstract：Space truss structure system is applied in the roof steel structure of the Yunfu stadium.In this paper，mechanical analysis on loading case and dynamic characteristics of the roof steel structure is accomplished.Overall stability analysis is also completed by FEM software MIDAS/GEN.Analysis results indicate the scheme can meet the requirements of building appearance as well in accordance with safety and aesthetic is appropriately designed，which could figure out that bearing capacity and seismic performance of the structure are satisfactory.
Keywords：Space truss system，Loading case analysis，Dynamic characteristics，Overall stability analysis.
1.工程概述
云浮市体育场工程位于云浮市云城区都杨镇，项目规模总用地面积99687.45m²，建筑面积 20031.7 m²，建筑基底面积 14604.5 m²；建筑层数为地上3层，钢结构总高33.398m，混凝土结构即下部看台为18.70m；建筑结构形式为下部钢筋混凝土框架结构主体看台，空间桁架结构屋盖。建筑外观新颖，建成以后将作为云浮市重大体育赛事的举办场地。
近年来随着我国经济的迅速发展，空间结构在传统的大跨度公共建筑中，其应用范围不断扩大，且结构形式有所拓展和创新，凸显了我国空间结构发展的新阶段[1]。本工程屋盖钢结构采用平面桁架组成的空间结构体系，支座设置于看台混凝土柱顶，通过后部斜拉杆实现屋盖结构的受力平衡。通过沿体育场环向的下部钢管、屋面檩条及屋面斜撑将各榀桁架连结起来，形成稳定的空间桁架结构体系，如图1所示。整个体育场屋盖钢结构的外轮廓呈流线形；西侧屋盖长轴水平长度179m，最大悬挑水平长度27.1m；东侧屋盖长轴水平长度142m，最大悬挑水平长度17.9m，平面尺寸较大，能够实现较好的建筑功能。
图1 云浮体育场屋盖钢结构轴测图
2.结构体系组成
2.1 平面桁架体系
本工程采用单榀桁架悬挑构成主要受力体系，西区屋盖为24榀主受力桁架成弧形分布，桁架高度1.73~2.5m；东区屋盖为18榀主受力桁架成弧形分布，桁架高度1.66~2.22m。平面桁架内所有构件均采用热轧无缝钢管，钢材材性均为Q345B。为使平面桁架内构件充分发挥材料强度，构件截面采取分级布置方式。桁架上弦杆件由根部向端部依次采用Φ325×16，Φ325×12，Φ325×7.5截面，桁架下弦杆由根部向端部依次采用Φ325×16，Φ325×12，Φ325×7.5截面，平面桁架竖向腹杆及斜腹杆在不同部位采用Φ168×8，Φ168×6截面。
2.2 桁架间连接构件及下部抗拉柱
由于钢结构屋面平面长度较大，各榀平面桁架通过下部纵向支撑构件、屋面檩条及屋面斜撑连结起来，并且于支座处设置环向的支座稳定桁架，于屋盖悬挑端部设置环向的端部稳定桁架，形成具有空间作用的结构体系，而下部纵向支撑构件连接每两榀平面桁架的下弦杆件，能够为屋盖结构提供更好的稳定性，可以防止屋盖结构产生较大的交错位移[1]。
屋面檩条连接相邻两榀平面桁架的上弦，由于两榀平面桁架间距较大，采用H300×150×6×8截面，以满足强度及长细比控制要求。对于大跨度空间桁架，在中部设置支撑，既可以防止构件局部失稳，同时又能大大提高梁的整体稳定性能[2]。本工程在屋面设置斜撑，斜撑构件采用热轧无缝钢管。
屋盖钢结构在风荷载的作用下有可能受到较大的吸力作用，在此工况组合下，支座处的反力可能为拉力，采取的应对措施为：1.对应的支承柱为抗拉柱，全部纵筋连接要求采用机械连接；2.支承柱内设置型钢，与支座连接，以抵抗风荷载作用下出现的支座拉力。
2.3.荷载及作用
云浮体育场钢结构屋面恒载包括屋面系统重量及屋盖吊挂设备重量等，屋面恒载取0.8kN/m²，屋面活荷载取0.5kN/m²，温度荷载取±30℃的温度作用。云浮地区100年一遇的基本风压ω0=0.45kN/m²，场地粗糙度类别为B类。大跨度屋盖结构通常质量轻、柔性大、阻尼小，风荷载是结构设计的控制荷载[3]。大跨度屋盖结构的风荷载取值受建筑外形、周边干扰建筑、结构自身特性等等很多方面的因素影响，大跨度复杂屋盖结构的风洞试验研究能提供足够的风荷载信息以保证主结构及围护结构设计的安全性[4]，结构风荷载体型系数按广东省建科院给出的《云浮体育场风洞试验报告》，图2中列出了部分体型系数的结果。
图2 云浮体育场45°及315°体型系数分区分布图
云浮体育场的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期Tg=0.35s，地震影响系数最大值为0.04[3]。
3.计算结果
3.1动力特性分析
使用3D3S软件对钢结构屋盖进行建模分析，并使用有限元软件MIDAS/GEN对其结果进行复核，计算结果吻合度较高。由于钢结构屋盖的质量较小，结构的抗侧刚度较大，前四阶振型的周期相差仅为10%，且均为沿径向的竖向振动，并未出现扭转振型，可见屋盖结构刚度分布均匀，结构的整体受力性能良好。
3.2荷载态分析
图3 1.0DL+1.0LL荷载组合下竖向位移图及构件应力比
由图3可见标准荷载组合下屋盖结构的竖向位移图，可见结构在荷载组合的作用下竖向位移较大，其中悬挑最大处（26m）的节点竖向位移值为208mm，该点可在施工时预起拱125mm，此时该点的挠度与结构跨度的比值为：（208-125）/（2x26000）=1/626<1/400（规范限值），所以屋盖结构的挠度满足规范的要求。
通过在桁架后侧设置抗拉杆，可以有效的控制屋盖结构竖向变形。由于结构悬挑长度较大，通过设置抗拉杆后的结构悬挑端部竖向位移仍然较大。为了不影响屋盖结构的正常使用，需要在施工过程中对结构实施预起拱来抵销自重引起的部分竖向位移。由图3可见1.0DL+1.0LL荷载组合作用下屋盖结构的应力云图，该荷载组合作用下构件应力分布均匀，且最大应力小于材料的屈服强度，可以得知平面桁架与连接构件很好地连结成完整的受力体系，能够共同承担竖向荷载的作用，结构体系的选取合理且传力形式明确。
3.3 结构稳定性分析
云浮体育场钢屋盖结构为大型复杂空间钢结构，整体稳定性是这种结构设计的控制因素之一。结构体系设计着重于弹性变形控制，对于结构体系稳定承载力的控制，GB 50017《钢结构设计规范》、JGJ 99《高层民用建筑钢结构技术规程》等用增大构件计算长度以增加其稳定承载力来实现[5]。根据设计要求，对屋盖钢结构进行稳定性分析。使用有限元软件MIDAS/GEN对结构进行线性屈曲模态的分析，考察屋盖的屈曲模态形状及屈曲模态稳定系数，对计算结果进行梳理，需要排除由于局部构件振动而生成的屈曲模态，最终得到屋盖结构的前两阶屈曲模态如图4所示。
屋盖结构的一阶屈曲模态的稳定系数为17.949，表1列出了结构的前10阶线性屈曲特征值，可以看出本工程采用的平面桁架及连接构件组成的屋盖结构体系，具有较大的稳定系数，结构具有较高的安全储备。
表1 结构的前10阶线性及非线性屈曲特征值
模态12345
特征值17.94918.26419.06119.24019.453
模态678910
特征值19.99620.12722.28022.28722.468
图4 屋盖结构的一、二阶线性屈曲模态
4.结语
（1）云浮体育场屋盖钢结构的整体刚度较大，地震作用效应下结构的整体受力性能良好，因此在结构设计中地震工况并非为控制荷载工况。
（2）屋盖的悬挑长度较大，结构对竖向荷载比较敏感，在恒载起控制作用的荷载组合作用下的竖向位移相对较大，施工中应采取预起拱的方式抵销自重引起的部分竖向位移。
（3）本文将稳定分析研究方法应用于云浮体育场屋盖结构的设计中，通过排除由于局部构件振动而生成的屈曲模态，分析得知结构的第一阶模态对应的稳定系数较大。通过本工程的验算过程可以看出，结构设计过程中应通过大量的分析计算确定结构的初始屈曲模态，以求得出满足整体稳定要求的设计方案。综合以上分析结果，云浮体育场的屋盖结构既能满足建筑外观要求，又符合结构安全的需要，具有合理的受力体系，可为相关工程设计所借鉴。
参考文献
[1]董石麟.中国空间结构的发展与展望 《建筑结构学报》2010年6月第31卷第6期：38-51
[2]李一松，唐柏鉴等.大跨度空间桁架梁整体稳定的参数分析 《钢结构》2005年第2期第22卷总第79期：12-14
[3]顾明，周毅.大跨度屋盖结构等效静力风荷载方法及应用 《建筑结构学报》2007年2月第28卷第1期：125-129
[4]李胜兵，杨立国等.大跨度屋盖结构站房风洞试验研究 《钢结构》2017年第10期第32卷总第226期：25-28
[5]葛家琪，张爱林等.基于性能的大跨度钢结构设计研究 《建筑结构学报》2011年12月第32卷第12期：29-36
论文作者:崔灿,刘少武
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/8
标签：桁架论文; 结构论文; 荷载论文; 云浮论文; 钢结构论文; 屈曲论文; 构件论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;