大跨度管桁架屋蓋結構設計分析

宛高旗

摘 要：管桁架結構建筑外表美觀，通透性好，跨越能力強，承載力性能優越，經濟效益良好。近年來得到了良好的應用于推廣，本文結合實際工程項目，對大跨管桁架結構進行了設計分析，得到了風荷載是本項目結構的控制荷載，進行了結構地震動分析，從結構的振型圖可以看出，結構的整體性能良好。本文的結論為工程設計提供了參考和指導。

關鍵詞：管桁架；風荷載；地震動；振型

管桁架結構采用相貫節點，簡化了傳統球節點的連接方式和構造，省去了球節點及支座的設計，使整個結構簡潔大方，以簡潔、流暢、美觀的視覺效果在大跨空間結構中得到了廣泛應用。

管桁架結構具有以下的優點：（1）結構形式簡潔、美觀，適用于多種結構造型。（2）鋼管的管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，因此管桁架結構幾何特性好，剛度大。整體受力合理。（3）管桁架結構施工時將各桿件直接焊接，因而具有施工簡單，節省材料的優點。

此外，由于結構外形等特點，還具有便于清潔、防銹、承受風荷載效應較低等優點。但是由于管桁架結構應用時間較短，規范尚不完備，其理論研究不夠深入，在具體的設計、施工中需針對工程中技術難點，進行具體的分析。

1 工程概況

1.1 結構形式。某高級中學體育館為大跨度管桁架結構，該體育館內一樓設置有體操室、健身房、舞蹈房，二樓是一個標準的籃球場，兩側有看臺，可以承擔一般比賽任務。該工程跨度39m，長度為45m。結構如圖1所示。

圖1 大跨管桁架結構模型圖

結構形式雙軸對稱，樣式輕盈，外觀曲線流暢，屋面材料采用鋁合金屋面板。結構總共有12根承壓柱，由6榀主桁架承重，桁架寬0.8m，高度最小處0.7m，最大處2m，矢高4m。

主桁架上弦桿截面為φ108×8鋼管，下弦為φ127×7鋼管，腹桿為φ95×6鋼管，柱子為φ299×16鋼管，鋼材材質均為Q345-B。結構縱向通過三角形截面桁架進行拉結并傳遞橫向荷載。桁架支座一端為固定鉸接支座，另一端為可以沿桁架跨度方向滑動的滑動支座，以釋放溫差所引起的變形。滑動支座構造如圖2所示。

1.2 荷載。根據規范的規定，屋面恒載、活載及風載的取值如下。

恒載：屋面恒載為0.5KN/m2，屋面吊掛為0.7KN/m2，構件自重通過程序自動計算。

活載：屋面活載為0.5KN/m2。

風荷載：基本風壓取0.6KN/m2，B類場地粗糙度。

本工程抗震設防烈度8度，基本地震加速度為0.20g，場地類別為II類，設計地震分組為第二組。 周期不折減，建筑結構阻尼比取0.02。

溫度作用： 由于結構跨度大，沿縱向較長，故溫度作用對結構的影響不容忽視。設計中計算溫差取±30℃。

2 內力分析

工程采用空間結構有限元軟件MIDAS/GEN進行整體計算。屋蓋的主要荷載包括豎向的恒載和結構自重、活載和風載。結構分析中同時考慮了水平地震作用及溫度作用。鋼管桁架除上下弦按剛接計算外。其余構件按鉸接設計。經分析計算，在各種荷載組合下，各主要桿件的控制內力如表1。

由表1 可以看出，桿件主要由恒載，活載和風載的荷載組合控制，屋蓋結構沒有考慮上吸風的有利作用，但由于屋蓋側向受風面積較大，所以水平風荷載的作用不容忽視。

表1 各主要桿件的控制內力

桿件 內力/KN

上弦桿 163.0

下弦桿 91.2

腹桿 126.8

柱子 132.5

注： 此處內力指桿件軸力。因為對于上下弦桿的彎矩很小，不起控制作用。

根據規定，對無吊車的屋蓋結構，按永久和可變荷載標準值計算的撓度容許值可取跨度的1/250，本工程按永久和可變荷載標準值計算的屋蓋結構最大撓度為7.99mm，對應桁架跨度為39m，39000/250= 15.6>7.99，滿足要求，同時，屋蓋桁架支座一端采用可滑動板鉸節點，有利于減少構件內力。

3 動力性能分析

對本工程結構進行自振特性分析，計算振型數取20階，結構前3 階自振周期及振型如表2 所示。由表2 可知，T1/T g=4.4，水平地震影響系數處 在設計反應譜曲線的下降段，地震影響系數 值較小。對于大跨度柔性結構，地震作用一般不起控制作用。由結構的陣型圖可以看出，第1階，第 3 階振型均為橫向振型，第2 階為縱向振型，整體振動明顯。

表2 結構前三階周期及陣型圖

陣型號 周期/s 陣型圖

1 1.751

2 1.116

3 0.734

4 結語

大跨度鋼管桁架結構，由于結構簡潔、受力合理、重量輕，經濟效益良好，近年來，該結構形式普遍應用于我國大跨度空間結構。本文針對某大跨度管桁架工程，采用大型有限元程序進行了各種工況下的受力分析，指出了對于大跨度鋼結構，風荷載成為結構的控制荷載，并對結構進行了地震動輸入動力學分析，可以看出，由于大跨度結構剛度較小，因此地震影響系數處于設計反應譜的下降段，地震荷載對結構的影響較小。但是，由于鋼結構的穩定性及施工要求高，因此，在滿足建筑形式的要求之下，應保證結構體系的穩定性和完整性，對于相貫節點的加工與放樣應該進行精確地設計，以保證整體結構的安全性能。

參考文獻

[1] 鄭江，郝際平，楊曉莉，等.某體育館復雜空間管桁架相貫節點承載力分析[J].建筑科學， 2013，29（1）.

[2] 譚海濱.淺析鋼結構管桁架的設計及施工技術[J].中國房地產業，2013（4）.

[3] 楊石杰.鄭州東站五跨連續大跨管桁架安裝施工技術[J].建筑技術，2013，44（4）.

[4] 尉洪利，蘇毅.西藏會展中心大跨度管桁架吊裝施工方案淺析[J].城市建設理論研究（電子版），2013（22）.

[5] 陳君君.大跨度鋼結構空問管桁架設計探析[J].科技與生活，2012（22）.

摘 要：管桁架結構建筑外表美觀，通透性好，跨越能力強，承載力性能優越，經濟效益良好。近年來得到了良好的應用于推廣，本文結合實際工程項目，對大跨管桁架結構進行了設計分析，得到了風荷載是本項目結構的控制荷載，進行了結構地震動分析，從結構的振型圖可以看出，結構的整體性能良好。本文的結論為工程設計提供了參考和指導。

關鍵詞：管桁架；風荷載；地震動；振型

管桁架結構采用相貫節點，簡化了傳統球節點的連接方式和構造，省去了球節點及支座的設計，使整個結構簡潔大方，以簡潔、流暢、美觀的視覺效果在大跨空間結構中得到了廣泛應用。

管桁架結構具有以下的優點：（1）結構形式簡潔、美觀，適用于多種結構造型。（2）鋼管的管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，因此管桁架結構幾何特性好，剛度大。整體受力合理。（3）管桁架結構施工時將各桿件直接焊接，因而具有施工簡單，節省材料的優點。

此外，由于結構外形等特點，還具有便于清潔、防銹、承受風荷載效應較低等優點。但是由于管桁架結構應用時間較短，規范尚不完備，其理論研究不夠深入，在具體的設計、施工中需針對工程中技術難點，進行具體的分析。

1 工程概況

1.1 結構形式。某高級中學體育館為大跨度管桁架結構，該體育館內一樓設置有體操室、健身房、舞蹈房，二樓是一個標準的籃球場，兩側有看臺，可以承擔一般比賽任務。該工程跨度39m，長度為45m。結構如圖1所示。

圖1 大跨管桁架結構模型圖

結構形式雙軸對稱，樣式輕盈，外觀曲線流暢，屋面材料采用鋁合金屋面板。結構總共有12根承壓柱，由6榀主桁架承重，桁架寬0.8m，高度最小處0.7m，最大處2m，矢高4m。

主桁架上弦桿截面為φ108×8鋼管，下弦為φ127×7鋼管，腹桿為φ95×6鋼管，柱子為φ299×16鋼管，鋼材材質均為Q345-B。結構縱向通過三角形截面桁架進行拉結并傳遞橫向荷載。桁架支座一端為固定鉸接支座，另一端為可以沿桁架跨度方向滑動的滑動支座，以釋放溫差所引起的變形。滑動支座構造如圖2所示。

1.2 荷載。根據規范的規定，屋面恒載、活載及風載的取值如下。

恒載：屋面恒載為0.5KN/m2，屋面吊掛為0.7KN/m2，構件自重通過程序自動計算。

活載：屋面活載為0.5KN/m2。

風荷載：基本風壓取0.6KN/m2，B類場地粗糙度。

本工程抗震設防烈度8度，基本地震加速度為0.20g，場地類別為II類，設計地震分組為第二組。 周期不折減，建筑結構阻尼比取0.02。

溫度作用： 由于結構跨度大，沿縱向較長，故溫度作用對結構的影響不容忽視。設計中計算溫差取±30℃。

2 內力分析

工程采用空間結構有限元軟件MIDAS/GEN進行整體計算。屋蓋的主要荷載包括豎向的恒載和結構自重、活載和風載。結構分析中同時考慮了水平地震作用及溫度作用。鋼管桁架除上下弦按剛接計算外。其余構件按鉸接設計。經分析計算，在各種荷載組合下，各主要桿件的控制內力如表1。

由表1 可以看出，桿件主要由恒載，活載和風載的荷載組合控制，屋蓋結構沒有考慮上吸風的有利作用，但由于屋蓋側向受風面積較大，所以水平風荷載的作用不容忽視。

表1 各主要桿件的控制內力

桿件 內力/KN

上弦桿 163.0

下弦桿 91.2

腹桿 126.8

柱子 132.5

注： 此處內力指桿件軸力。因為對于上下弦桿的彎矩很小，不起控制作用。

根據規定，對無吊車的屋蓋結構，按永久和可變荷載標準值計算的撓度容許值可取跨度的1/250，本工程按永久和可變荷載標準值計算的屋蓋結構最大撓度為7.99mm，對應桁架跨度為39m，39000/250= 15.6>7.99，滿足要求，同時，屋蓋桁架支座一端采用可滑動板鉸節點，有利于減少構件內力。

3 動力性能分析

對本工程結構進行自振特性分析，計算振型數取20階，結構前3 階自振周期及振型如表2 所示。由表2 可知，T1/T g=4.4，水平地震影響系數處 在設計反應譜曲線的下降段，地震影響系數 值較小。對于大跨度柔性結構，地震作用一般不起控制作用。由結構的陣型圖可以看出，第1階，第 3 階振型均為橫向振型，第2 階為縱向振型，整體振動明顯。

表2 結構前三階周期及陣型圖

陣型號 周期/s 陣型圖

1 1.751

2 1.116

3 0.734

4 結語

大跨度鋼管桁架結構，由于結構簡潔、受力合理、重量輕，經濟效益良好，近年來，該結構形式普遍應用于我國大跨度空間結構。本文針對某大跨度管桁架工程，采用大型有限元程序進行了各種工況下的受力分析，指出了對于大跨度鋼結構，風荷載成為結構的控制荷載，并對結構進行了地震動輸入動力學分析，可以看出，由于大跨度結構剛度較小，因此地震影響系數處于設計反應譜的下降段，地震荷載對結構的影響較小。但是，由于鋼結構的穩定性及施工要求高，因此，在滿足建筑形式的要求之下，應保證結構體系的穩定性和完整性，對于相貫節點的加工與放樣應該進行精確地設計，以保證整體結構的安全性能。

參考文獻

[1] 鄭江，郝際平，楊曉莉，等.某體育館復雜空間管桁架相貫節點承載力分析[J].建筑科學， 2013，29（1）.

[2] 譚海濱.淺析鋼結構管桁架的設計及施工技術[J].中國房地產業，2013（4）.

[3] 楊石杰.鄭州東站五跨連續大跨管桁架安裝施工技術[J].建筑技術，2013，44（4）.

[4] 尉洪利，蘇毅.西藏會展中心大跨度管桁架吊裝施工方案淺析[J].城市建設理論研究（電子版），2013（22）.

[5] 陳君君.大跨度鋼結構空問管桁架設計探析[J].科技與生活，2012（22）.

摘 要：管桁架結構建筑外表美觀，通透性好，跨越能力強，承載力性能優越，經濟效益良好。近年來得到了良好的應用于推廣，本文結合實際工程項目，對大跨管桁架結構進行了設計分析，得到了風荷載是本項目結構的控制荷載，進行了結構地震動分析，從結構的振型圖可以看出，結構的整體性能良好。本文的結論為工程設計提供了參考和指導。

關鍵詞：管桁架；風荷載；地震動；振型

管桁架結構采用相貫節點，簡化了傳統球節點的連接方式和構造，省去了球節點及支座的設計，使整個結構簡潔大方，以簡潔、流暢、美觀的視覺效果在大跨空間結構中得到了廣泛應用。

管桁架結構具有以下的優點：（1）結構形式簡潔、美觀，適用于多種結構造型。（2）鋼管的管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，因此管桁架結構幾何特性好，剛度大。整體受力合理。（3）管桁架結構施工時將各桿件直接焊接，因而具有施工簡單，節省材料的優點。

此外，由于結構外形等特點，還具有便于清潔、防銹、承受風荷載效應較低等優點。但是由于管桁架結構應用時間較短，規范尚不完備，其理論研究不夠深入，在具體的設計、施工中需針對工程中技術難點，進行具體的分析。

1 工程概況

1.1 結構形式。某高級中學體育館為大跨度管桁架結構，該體育館內一樓設置有體操室、健身房、舞蹈房，二樓是一個標準的籃球場，兩側有看臺，可以承擔一般比賽任務。該工程跨度39m，長度為45m。結構如圖1所示。

圖1 大跨管桁架結構模型圖

結構形式雙軸對稱，樣式輕盈，外觀曲線流暢，屋面材料采用鋁合金屋面板。結構總共有12根承壓柱，由6榀主桁架承重，桁架寬0.8m，高度最小處0.7m，最大處2m，矢高4m。

主桁架上弦桿截面為φ108×8鋼管，下弦為φ127×7鋼管，腹桿為φ95×6鋼管，柱子為φ299×16鋼管，鋼材材質均為Q345-B。結構縱向通過三角形截面桁架進行拉結并傳遞橫向荷載。桁架支座一端為固定鉸接支座，另一端為可以沿桁架跨度方向滑動的滑動支座，以釋放溫差所引起的變形。滑動支座構造如圖2所示。

1.2 荷載。根據規范的規定，屋面恒載、活載及風載的取值如下。

恒載：屋面恒載為0.5KN/m2，屋面吊掛為0.7KN/m2，構件自重通過程序自動計算。

活載：屋面活載為0.5KN/m2。

風荷載：基本風壓取0.6KN/m2，B類場地粗糙度。

本工程抗震設防烈度8度，基本地震加速度為0.20g，場地類別為II類，設計地震分組為第二組。 周期不折減，建筑結構阻尼比取0.02。

溫度作用： 由于結構跨度大，沿縱向較長，故溫度作用對結構的影響不容忽視。設計中計算溫差取±30℃。

2 內力分析

工程采用空間結構有限元軟件MIDAS/GEN進行整體計算。屋蓋的主要荷載包括豎向的恒載和結構自重、活載和風載。結構分析中同時考慮了水平地震作用及溫度作用。鋼管桁架除上下弦按剛接計算外。其余構件按鉸接設計。經分析計算，在各種荷載組合下，各主要桿件的控制內力如表1。

由表1 可以看出，桿件主要由恒載，活載和風載的荷載組合控制，屋蓋結構沒有考慮上吸風的有利作用，但由于屋蓋側向受風面積較大，所以水平風荷載的作用不容忽視。

表1 各主要桿件的控制內力

桿件 內力/KN

上弦桿 163.0

下弦桿 91.2

腹桿 126.8

柱子 132.5

注： 此處內力指桿件軸力。因為對于上下弦桿的彎矩很小，不起控制作用。

根據規定，對無吊車的屋蓋結構，按永久和可變荷載標準值計算的撓度容許值可取跨度的1/250，本工程按永久和可變荷載標準值計算的屋蓋結構最大撓度為7.99mm，對應桁架跨度為39m，39000/250= 15.6>7.99，滿足要求，同時，屋蓋桁架支座一端采用可滑動板鉸節點，有利于減少構件內力。

3 動力性能分析

對本工程結構進行自振特性分析，計算振型數取20階，結構前3 階自振周期及振型如表2 所示。由表2 可知，T1/T g=4.4，水平地震影響系數處 在設計反應譜曲線的下降段，地震影響系數 值較小。對于大跨度柔性結構，地震作用一般不起控制作用。由結構的陣型圖可以看出，第1階，第 3 階振型均為橫向振型，第2 階為縱向振型，整體振動明顯。

表2 結構前三階周期及陣型圖

陣型號 周期/s 陣型圖

1 1.751

2 1.116

3 0.734

4 結語

大跨度鋼管桁架結構，由于結構簡潔、受力合理、重量輕，經濟效益良好，近年來，該結構形式普遍應用于我國大跨度空間結構。本文針對某大跨度管桁架工程，采用大型有限元程序進行了各種工況下的受力分析，指出了對于大跨度鋼結構，風荷載成為結構的控制荷載，并對結構進行了地震動輸入動力學分析，可以看出，由于大跨度結構剛度較小，因此地震影響系數處于設計反應譜的下降段，地震荷載對結構的影響較小。但是，由于鋼結構的穩定性及施工要求高，因此，在滿足建筑形式的要求之下，應保證結構體系的穩定性和完整性，對于相貫節點的加工與放樣應該進行精確地設計，以保證整體結構的安全性能。

參考文獻

[1] 鄭江，郝際平，楊曉莉，等.某體育館復雜空間管桁架相貫節點承載力分析[J].建筑科學， 2013，29（1）.

[2] 譚海濱.淺析鋼結構管桁架的設計及施工技術[J].中國房地產業，2013（4）.

[3] 楊石杰.鄭州東站五跨連續大跨管桁架安裝施工技術[J].建筑技術，2013，44（4）.

[4] 尉洪利，蘇毅.西藏會展中心大跨度管桁架吊裝施工方案淺析[J].城市建設理論研究（電子版），2013（22）.

[5] 陳君君.大跨度鋼結構空問管桁架設計探析[J].科技與生活，2012（22）.