某室內水樂園大跨度鋼結構屋蓋設計

廖昉，馬悅，周鑫，梁濤

（1重慶城市綜合交通樞紐（集團）有限公司，重慶 400039；2中機中聯工程有限公司，重慶 400025）

1 工程概況

某工程位于貴州省畢節市赫章縣境內，為溫泉大棚項目，主體結構由大小兩個橢圓組成。由于溫泉大棚內功能較復雜，需要開敞的大型無柱空間，且對天然采光照明等要求較高，故建筑選用現代風格，通透明亮，富有時代感與科技感，功能與形式完美結合。結合建筑設計概念，結構形式采用了立體桁架體系，最大跨度61.5 m，結構高度25.5 m，大棚內為泳池設施和設備機房等，屬于A級高度的高層建筑，嵌固端為基礎頂面。該工程的建筑外觀如圖1所示，施工現場圖如圖2所示。

圖2 現場施工圖（2018年5月）

該地區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45s。

基礎持力層為碎石土，埋深為4.3 m，地下水平均水頭為1.6m。為適應后期內部設施改造要求，基礎采用整體筏板，普通位置為600mm厚，鋼結構桁架柱腳處為1500mm厚。筏板基礎整體性好，基礎剛度大，由于頂部反壓了2.8m厚填土，故能同時滿足抗浮要求。

2 結構設計分析

2.1 結構布置

鋼結構采用9榀倒三角立體主桁架單元，跨度從33.6 m至61.5m，每榀間距為15m，柱腳為固定鉸支座；腰部設置兩道環形桁架，分別設置在離地9.0m和16.0m高處，兩端設置斜向穩定桁架與環形桁架相連；入口門廳空間桁架跨度為40.3m。大球及小球面位置次桁架為斜交平面桁架，以增加平面內穩定性；兩球相連的位置用三榀橫向桁架相連。結構平面布置圖如圖3所示。

圖3 鋼結構屋面主結構布置圖

主桁架主要尺寸為2m寬，根據跨度不同設置2～2.6m高倒三角形立體桁架，典型上弦桿截面尺寸為Φ351×20，典型下弦桿截面尺寸為Φ351×35，典型腹桿尺寸為Φ133×12。空間主桿件全部采用Q345B強度鋼管，結構透視圖如圖4所示。

圖4 結構透視圖

2.2 結構模型的建立

為適應非線性建筑外形，傳統的根據建筑剖面的建模方式很難實現結構構件完全貼合建筑表皮，且工作量大又容易出錯。根據筆者的多層探索，采用犀牛軟件對建筑表皮進行空間采樣，然后結合抽離出來的空間線段導入3D3S進行空間桁架建模。從圖4的結構透視圖中可以看出，空間桁架的兩根上弦桿高度不同，導致局部構件較為不規則，但這樣的建模方式能完全實現結構構件緊貼建筑外皮，達到建筑預期的效果。

3 主要結構設計條件

3.1 風荷載取值

該工程處于高山地區，風荷載作為結構設計的主要荷載，根據規范基本風壓0.35kN/m2（重現期100年），地面粗糙度類別B類。由于本建筑外形為非線性建筑，《建筑結構荷載規范》（GB 5009-2012）[1]中不能查到準確的體形系數，為了更加準確地分析建筑表面的風壓分布，本文利用Transition-SST模型，結合顧磊、張默、黃瀅等[2-4]的應用經驗，以工程軟件ANSYS分析了風荷載對結構的影響。

該工程用犀牛曲面軟件擬合還原了建筑模型，通過導入ANSYS-Structural完成了風場范圍的建模和網格劃分工作。然后將模型及有限元網格導出為通用格式，在ANSYS-Fluent中定義了速度進口邊界條件Velocity-inlet和壓強出口邊界條件Pressure-outlet，編寫腳本文件導入了隨高度變化的入射風場，完成了該結構的風荷載有限元分析。

當風荷載從建筑側向以90度角吹向結構時，在出射方向的建筑側面產生了風吸。由于建筑整體高度不高，且周圍地勢平坦，所以在高度方向上的風速變化不明顯。該角度的風荷載風壓和風速云圖如圖5所示。

圖5 側向風荷載風壓和風速云圖

當風荷載從建筑正向以0度角吹向結構時，經過計算所得到的分析結果云圖如圖6所示。

圖6 正向風荷載風壓和風速云圖

從圖6中可以看到，建筑體型對風荷載的影響較為明顯。在鋼結構最高處，風荷載的風速較大，應在設計荷載取值時予以體現。結構在出射方向的風吸作用不明顯。迎風面為正壓，平均風壓在0.20～0.33kN/m2之間，風壓高度變化系數μz=1.39，計算分析小于規范。偏于安全考慮，采用規范值進行計算。采用前后左右四個方向輸入風吸和風壓，并與地震工況、溫度工況進行組合計算。

3.2 雪荷載取值

該工程為大跨度結構，按荷載規范屬于對雪荷載敏感的建筑，基本雪壓按100年一遇取值，并考慮山區雪荷載系數后為0.3×1.2=0.36kN/m2。在建筑物表面的凹進區域，考慮不均勻分布情況雪荷載標準值為Sk=0.36×2.0=0.72kN/m2。雪荷載標準值分布示意圖如圖7所示。

圖7 雪荷載標準值分布示意圖

3.3 溫度作用

鋼結構溫度計算以預計合攏溫度10℃為基準，根據我國規范，當地最低為-4℃，最高為30℃，計算按照降溫-15℃和升溫30℃兩個工況參與進行組合計算。

3.4 地震作用

該工程設防烈度為6度，抗震設防分類為丙類，設計基本加速度為0.50g，地震影響系數最大值為0.04，場地類別為Ⅱ類，多遇地震下阻尼比取0.03。該工程定義了X向，Y向，Z（豎向）、斜交45度[5-6]。

4 結構分析結果

在結構分析時，采用了3D3S和SAP2000軟件分別進行了整體分析并進行對比。從計算結果可以看到，兩種軟件的計算結果接近。分析結果按恒載、活載、不利活荷載布置、風荷載、雪荷載、溫度荷載、地震作用進行組合，取不利結果進行后期設計。

4.1 周期及振型

第一階振型為短向平動，T1=1.27s，處于基本合理的范圍，第二階振型為長向平動，T2=1.05s，第三階振型為扭轉，Tt=0.85s，周期比為Tt/T1=0.67，從結構模態分析結果可以看出結構具有較好的抗扭剛度。結構前兩階振型圖如圖8所示。

圖8 結構前兩階振型圖

4.2 結構變形

通過前期結構布置分析發現，腰部的兩道桁架對結構的整體剛度和各榀桁架的協調工作影響較大，經過多次分析計算，將原方案中的三角形桁架優化為矩形空間桁架，并增加了跨度較大的幾個桁架附近桿件的截面。在1.2恒載+1.4風荷載作用下，原方案結構最大水平位移為231 mm，D/H=1/118（位移角），加強腰桁架后結構最大水平位移為56 mm，D/H=1/486（位移角），滿足《鋼結構設計規范》（GB 50017-2014）[7]要求。

結構1.0在恒載+1.0活載工況下，最大豎向撓度為72.1 mm，出現在對大跨度主桁架中點位置，為對應跨度的1/852，滿足《空間網格技術規程》（JGJ 7-2010）[8]中的限制1/250。

結構的變形分析結果表明，結構整體剛度合理。

4.3 線性屈曲分析

該工程為拱形桁架結構，需要對結構整體進行穩定性分析，以保證結構的安全。對3種典型工況進行了穩定性分析。第一階失穩的位置均出現平面次桁架位置，3個工況前6個屈曲模態都沒有出現主桁架失穩的情況，具體屈曲特征值詳見表1。所有特征值均滿足《空間網格結構技術規程》中大于4.2的要求，證明結構整體具有良好的穩定性，在后期設計中考慮增加檁條提高次桁架的穩定性。

表1 結構整體屈曲分析結果

4.4 典型主桁架設計結果

通過計算發現，桁架兩端的桿件內力明顯大于中間桿件。故將端部桿件截面加大，往上逐步減小桿件截面，有效經濟地利用材料。結構兩側桁架跨度較小，桿件內力也較小，通過多次計算調整，反復調整桿件的截面。

典型主桁架桿件截面設計結果見表2。小震設計應力比限值取0.8，經過驗算所有桿件均能滿足承載力和穩定性要求。中震設計時支座桿件應力比控制在0.9以內，滿足中震彈性性能目標。

表2 典型主桁架桿件截面

4.5 典型支座設計

支座設計時采用最不利組合包絡設計。取跨度為61.5m最大跨桁架的兩個典型支座反力進行分析，最大軸力Nz=3583kN，對應的荷載組合為1.2恒載+1.4活載+0.84升溫，最大水平方向反力為Ny=1311kN，對應的荷載組合為1.2恒載+0.98活載+0.84左風+1.4升溫。

主桁架支座采用抗震球形支座，支座按中震彈性進行設計。對球形支座增加了兩道22mm厚水平肋板和十字縱向肋板進行加強。主桁架支座均采用固定鉸支座，支撐在混凝土框架柱上，并設置剪力墻抵抗水平力。典型支座示意圖如圖9所示。

圖9 典型支座圖

5 結語

本文介紹了一處位于高山地區的非線性建筑大跨度鋼結構設計過程，描述了非線性建筑的結構建模方法，并且由于非線性建筑風荷載、雪荷載的取值沒有規范可以參照，本文重點提出了解決這種非線性建筑荷載取值的方法。結合風荷載、雪荷載及地震等作用的組合計算，對結構的自振特性、結構變形和線性屈曲等進行了驗算，有效地保證了結構的整體安全。本文介紹的結構分析方法對類似工程具有一定的指導作用。