同济大学土木工程学院 上海 200092 上海建工一建集团有限公司 上海 200120
摘要：北方某地某厂房平面尺寸51.5mx207.3m，考虑该地冬季温度-30℃，夏季温度32℃，钢结构屋面温度作用明显，故对200米超长结构采用设缝处理，避免温度应力累计。建筑屋面造型要求结构双面找坡，坡度8%，屋架底有净高要求，因此屋架结构采用平底双坡平板网架结构体系。网架支座采用平板橡胶支座结构优化设计，从而释放大跨度网架温度荷载作用下的水平位移。
关键词：超长结构；网架结构选型；屋面温度伸缩缝设计；板式橡胶支座节点设计
1 工程概况
本项目位于北方某地，功能为工业厂房，由于功能需要为三个功能模块的组合，厂房平面尺寸为51.5mx207.3m的超长结构。该厂房主体结构形式采用单层钢筋混凝土框架结构，屋脊高度为12.05m，基础采用柱下条形基础。该地区季节性冻土标准冻深为2.20米，当地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅲ类。本建筑为乙类设防建筑物按照7度采取抗震构造措施，框架抗震等级二级。本工程结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数取1.0。平面及立面示意图如下：
平面图
主立面
侧立面及剖面图
2 荷载及组合
2.1恒荷载取值
该部分荷载为屋面荷载，分别通过施工杆件双向导荷至上弦网架球节点，同时考虑网架下弦灯具及其他吊装恒载0.1 KN/m2。网架钢管自重软件自动考虑，螺栓球节点自重按网架结构杆件总重20%附加。
2.2活荷载取值
屋面网架结构计算按0.50KN/m2取值；檩条计算按0.50KN/m2，并考虑检修集中荷载1KN。该部分屋面活荷载，分别通过杆件双向导荷载至上弦网架节点。
2.3雪荷载取值
本地区基本雪压S0=0.40KN/m2（50年一遇）,屋面雪荷载不与屋面活荷载同时考虑，取最大值，并考虑不均匀布置。
2.4风荷载取值
风荷载最轻钢屋盖结构影响较大，本工程设计时分别考虑左风和右风组合，人为手工定义。本工程的基本风压为0.45KN/m2（50年一遇），场地地面粗糙度类别为B类。风压高度变化系数根据荷载规范要求，软件中定义网架高度后，由软件自动取值计算。
2.5地震作用
当地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅲ类。场地设计特征周期Tg=0.45s。考虑地震的双向地震作用耦联，不考虑竖向地震作用，按照网架单独建模计算，阻尼比取0.02。框架部分考虑屋顶网架的刚度拟合，单独在PKPM中建模计算，阻尼比取0.03，由于本建筑的特殊要求，抗震设防类别为重点设防类（乙类），设计时按照提高一度的要求加强框架结构抗震措施。
2.6温度作用
根据相关资料，及《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012），该区域全年最高气温为32℃，极端最低气温为-30℃，钢结构屋面的合拢温度控制在10左右，故最大正温差取22℃，最大负温差取-40℃。
2.7荷载组合
在3D3S中，可以手工输入恒载0，活载1，活载2，左风3，右风4，5类荷载，同时还可以输入地震，吊车，温度作用。软件能自动整理组合。在一般组合中，不同工况号的同一类荷载均是互斥地参与组合计算。
3 结构选型
3.1.结构材料
混凝土等级：C30, 用于框架结构；C15,用于基础垫层；钢筋：HPB300级钢，强度标准值fy＝270Mpa。HRB335级钢，钢筋设计值fy＝300 Mpa。HRB400级钢，钢筋设计值fy＝360 Mpa。
网架部分：
钢管:选用GB/T700中的Q345B钢,采用高频焊管或无缝钢管；高强螺栓:选用GB3077中的40Cr;等级应符合GB/T16939;钢球:螺栓球选用GB699中的45号钢;支座节点板:选用Q345-B。
3.2 设计控制标准
3.2.1混凝土受弯构件的挠度限值：构件跨度小于7 m：L0/200；构件跨度大于9 m：L0/300；裂缝控制等级：三级；下部基础最大裂缝宽度为0.20mm；上部建筑物最大裂缝宽度为0.30mm；
3.2.2混凝土保护层：建筑结构：梁、柱：25 mm；板：20 mm；基础底层：40 mm
3.2.3空间网架结构的容许挠度值：1/250（短向跨度）。
3.3设计原理
3.3.1空间网架结构分析时，考虑作用有水平荷载（风、地震、温度），同时考虑上部网架结构与下部支撑结构的相互作用。
3.3.2上部空间网格结构采用3D3S网架结构进行分析，考虑下部支撑结构即将等效刚度和等效质量作为上部网格结构分析时的条件。对于上部结构，重点在于支座部分定义，本结构采用橡胶支座，3D3S软件部分自动根据《JGJ7-2010空间网格结构计算规程》K.0.4公式，根据输入结构柱高度及宽度，以及橡胶支座参数，进行赋值。根据计算结果能反应出，网架结构在各种工况（恒、活、地震、风、温度等）组合，并给出相应结果。
3.3.3下部框架部分，采用PKPM软件，利用等代梁法进行结构分析设计。
下部结构采用PKPM建模并进行荷载输入，屋面部分定义为板厚为零，同时为保证平面内的刚度，根据网架的上下弦杆截面积和网架高度进行折算，对网架结构通过等刚度折算为局限钢梁，并将钢材的容重定义为零，仅借用钢梁的刚度荷。通过将上部网格结构折算等效刚度和等效质量作用于下部支撑结构上，采用SATWE分析，通过以往工作经验，本方案切实可行。
3.4结构体系：
本建筑总平面尺寸为51.5mx207.3m，考虑内部工业生产需求，不能排布柱网，当地的风、雪及温度荷载均较大。屋盖结构选择轻型钢结构，为保证这个屋盖结构重量轻，造型简洁优美，又能保证冬季屋顶积雪的自动滑落，结构传力受力明确，51.5m的跨度屋面，应有足够的刚度和较小的竖向变形。最终选择网架结构，它有刚度大，抗震能力强，整体效果好，自重轻，杆件结构传力清晰明确的优点，而且所有杆件与节点均为工厂加工，因此构造简单，施工速度快，质量能保证。考虑整个厂区有207.3m，为避免超长屋盖在温度荷载作用下的累计变形，以及下部混凝土框架结构的超长温度作用。根据厂区的工艺布置，分为三个模块，分别是50mx50m；50mx70m；50mx82.8m。分别对应三个网架结构和三个框架结构，同时满足网架的网格模块和柱网模数。
为便于分析讨论，本文选取中间模块50mx70m进行分析讨论，以下涉及结构均指该模块尺寸。
上部网架与下部框架的组合模型
屋盖结构采用网架结构，具有结构自重轻，容易实现大跨度布局，刚度大、整体性好、抗震能力强，是高次超静定空间结构，能够承担各个方向传递的荷载，而且结构构件与螺栓、支座节点全部工厂化生产，既能保证产品质量，也能在现场快速安装。具有良好的技术经济效果。
本屋盖平面尺寸50mX70m，采用5mX5m的网格布局正放四角锥网架结构，上弦支撑的结构体系。由于建筑使用要求限制，结构高度考虑双坡起拱，总高度为4m，其中起拱2m，下弦保持高度为2m，如下图。《空间网架结构计算规程》（JGJ 7-2010)第3.2.5条“网架的高跨比可取1/18~1/10”，本结构高跨比为12.5，满足规范要求。
网架空间三维模型
网架平面布置图
网架正立面
网架侧剖面图
本网架结构的杆件规格从48x3.5~180x12，螺栓球节点采用45号钢，支座采用上弦周边支撑，节点隔一布一的原则进行支座布置，上弦螺栓球节点通过与支座肋板焊接，再进过板式橡胶垫和过渡钢板与混凝土柱顶连接，从而保证竖向力的可靠传递。由于橡胶垫板具有良好的弹性和较大的剪切变形能力，因而支座即可微量转动，同时也能在水平方向产生一定的弹性变形。因此对柱顶的水平推力作用有限，非常适合中大跨度，支座反力较大，有抗震要求，温度影响，水平位移较大和对转动要求的屋盖结构设计。
3.5结构及杆件设计控制目标：
3.5.1 杆件应力控制
在恒载、活荷载、温差作用、风荷载、地震作用参与下的组合作用下，杆件应力控制在0.93以下。
抗震规范第10.2.13条，与支座位置相连的关键杆件的地震组合内力设计值乘以1.1增大系数厚，验算结果仍满足（1），（2）条的要求。
《空间网格结构技术规程》5.1.5条判断为受力方向的弦杆，面积比按规范要求不宜超过1.8倍。
3.5.2 长细比要求：
《空间网格结构技术规程》5.1.3条规定，四角锥网架结构杆件的容许长细比受拉时为250，受压时为180。
3.5.3 结构挠度容许值：
《空间网格结构技术规程》3.5.1条规定，空间网架结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值为屋盖结构短向跨度的1/250。
3.6屋架结构分析计算
应力分析结果：
按轴力 N 最大显示构件颜色 (kN)
竖向位移：
最大竖向位移 Uz(mm)
140.1/50000=1/356.9＜1/250，满足规范要求
杆件应力比：
杆件应力比分布图
4 屋盖伸缩缝节点设计
为保证整个屋面板的施工连续性，但是又不能让各自屋架之间留有缝隙，不利于屋面板的铺设。在主檩条之间采用滑动式次檩条进行连接，该大样采用长螺孔设置，在相关工程中，有可靠的成熟经验。
5 屋盖支座节点设计
由于本地区全年最高温度与最低温度差值达到62℃，温度作用对网架变形非常明确，最大水平变形达到近50mm，为避免温度应力对柱顶的影响，产生不必要的弯矩。网架支座采用平板式橡胶支座，橡胶采用全天然橡胶，避免低温破坏。橡胶垫与支柱或基座的钢板或混凝土间可用502胶等胶结剂粘结固定。设计时宜考虑长期使用后因橡胶老化而需更换的条件。在橡胶垫板四周可涂以防止老化的酚醛树脂，并粘结泡沫塑料。同时在锚栓的螺母下设置配套的压力弹簧，以适应平板支座的受力变位。
6结论
（1）本结构设计，结合工程实际需求满足建筑造型需要和空间使用要求，以及当地实际情况选用平板网架结构。本结构主体钢结构用钢量约23.5kg/m2，从而经济可靠，施工方便安全，保证施工质量。
（2）对整个200m超长结构，进行设缝布置，紧密结合设备专业的使用要求，又同时保证结构的合理布置，从而减低屋架的整体造价。对屋面设缝位置的细部节点连接设计，即保证屋面板的整体连续性，又保证钢结构屋面在复杂屋面温度和地震作用下的可靠变形。
（3）网架支座节点采用橡胶平板节点设计，大力优化网架结构支座和钢筋混凝土框架的柱顶水平推力的影响。从而框架结构柱顶受力均匀，传力可靠，优化了整体结构的受力体系，节约了整体结构的建筑成本。
参考文献
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[6] 3D3S V13使用手册 13203 网架网壳 [M]. 2017.
论文作者:陈伟
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第10期
论文发表时间:2017/10/26
标签：网架论文; 结构论文; 荷载论文; 支座论文; 屋面论文; 节点论文; 组合论文; 《建筑科技》2017年第10期论文;