某中學風雨操場屋蓋結構方案選型與分析

何守民，袁燊，姚運 （深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000）

1 引言

在我國經濟不斷發展和人們生活水平逐步提高的時代背景下，建筑工程中大跨度結構的應用越來越普遍，除了體育館、展館、音樂廳等公共建筑，學校中的報告廳、室內運動館中也出現大跨度結構的需求，且業主對美觀及空間使用感受、經濟性、施工工期等都提出了較高要求[1]。在設計過程中，首先要進行結構選型，初步敲定結構方案，對于大跨度屋蓋結構結構體系的選擇，首先要在結構可行的前提下，最大化的滿足人的需求，也就是滿足建筑的使用功能；其次要考慮造型的美觀、施工的便利等因素[2]。本文對某中學風雨操場中的大跨度屋蓋進行方案選型，擬定了3種結構方案，并分別進行計算和分析，綜合考慮多方面因素后，選定立體管桁架+鋼筋桁架樓承板為最終設計方案。

2 工程概況

某中學位于安徽省合肥市，由教學樓、綜合樓、風雨操場等組成，其中風雨操場與綜合樓毗鄰并設抗震縫脫開，地上2層，建筑高度9.3m，局部兩層通高，形成長向跨度（X向）37.5～40.5m，短向跨度（Y向）23.6m 的大空間（圖1），主要使用功能為室內籃球場，輔助功能為報告廳。本次設計對象為該大跨度屋蓋結構。

圖1 某中學風雨操場大空間平面圖

本工程抗震設防烈度為7度，地震加速度0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，根據《建筑抗震設防分類標準》（GB 50223-2008）、《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）及《工程結構可靠性設計統一標準》（GB 50123-2008），中小學為重點設防類，故本工程地震作用的計算分析按7度，抗震措施按8度考慮，結構的安全等級為一級，結構的重要性系數取1.1。

本工程屋面為上人保溫屋面，恒載4.0kN/m2（不含樓板自重），活載2.0kN/m2，屋面吊掛活載 0.3kN/m2(吊掛燈具等)，屋面采用由北向南的單向結構找坡，以減少屋面找坡材料自重。

3 屋蓋結構方案選型

在本工程設計前期的溝通階段，綜合考慮了室內音效、上人屋面等因素后，業主明確提出屋面板需采用鋼筋混凝土屋面板，其余不作要求，本工程屋蓋結構的方案選型主要考慮以下3方面因素：①安全性，保證結構的承載能力和剛度；②適用性，滿足建筑的使用功能要求；③經濟性，在滿足前兩條的基礎上，盡量減少材料用量，降低施工難度。

在考慮以上因素后，本工程屋蓋結構擬采用的方案有3種：①鋼筋混凝土梁板結構；②平面管桁架+鋼筋桁架樓承板；③立體管桁架+鋼筋桁架樓承板。

現分別就3種方案進行計算分析，計算結果如下。

3.1 鋼筋混凝土梁板結構

圖2 鋼筋混凝土梁板（方案一）

圖3 平面管桁架布置（方案二）

圖4 立體管桁架布置（方案三）

由于該大空間X向跨度37.5～40.5m，Y向跨度23.6m，兩個方向的跨度相差較大，難以形成共同受力的雙向主次梁結構，擬采用沿Y向布置的單向梁結構（圖2），單向主、次梁截面均采用400x1700，間距2.7～3m，本方案采用YJK軟件進行建模計算，經計算，梁實配的通長頂筋為625，底筋為1628 4/6/6，最大撓跨比為1/282。

3.2 平面管桁架+鋼筋桁架樓承板

擬采用雙向布置的平面管桁架結構（圖3），兩個方向的平面管桁架互為平面外側向支撐，用以減少弦桿平面外計算長度，短向（Y向）平面管桁架共設置7榀，支座采用下承式，桿件實際采用的截面為：上弦桿φ351×16，下弦桿φ245×16，腹桿 φ114×7.5、φ146×10。長向（X向）平面管桁架共設置5榀，支座采用上承式，其中端部兩榀用于短向管桁架的封邊、支撐，桿件截面同短向桁架，其余三榀桿件實際采用的截面為：上弦桿φ180×9，下弦桿 φ168×10，腹桿 φ73×4.0、φ102×7.0。屋面檁條沿 X向布置，截面為 H300×200×8×12。兩個方向桁架的計算高度均為1.6m，自下弦桿底至屋面的屋蓋實際高度約為2m，弦桿節間長度為1.3～1.8m。

本方案采用3D3S軟件進行建模分析，桿件鋼材均采用Q345B，桁架一端為固定鉸支座，另一端為沿桁架方向的單向滑動鉸支座，計算跨度自柱側或梁側牛腿中心起算，經計算，本方案最大桿件應力比出現在下弦，為0.905，最大撓跨比為1/422，計入檁條的單位面積用鋼量為104.5kg/m2。

3.3 立體管桁架+鋼筋桁架樓承板

擬采用單向布置的立體管桁架結構（圖4），立體管桁架斷面為倒三角形，沿短向（Y向）布置，共設置4榀，支座采用下承式，桿件實際采用的截面為：上弦桿φ273×16，下弦桿 φ351×22，腹桿 φ83×6.0、φ121×8.0、φ140×10.0。立體管桁架兩端各設置一榀平面管桁架作為端部側向支撐，桿件實際采用的截面為：上弦桿φ102×5.0，下弦桿 φ102×5.5，腹桿 φ73×4.0。屋面檁條沿X向布置，截面為H300×200×8×12。桁架的計算高度為1.6m，自下弦桿底至屋面的屋蓋實際高度約為2m，弦桿節間長度為1.3～1.7m。

本方案采用3D3S軟件進行建模分析，桿件鋼材均采用Q345B，桁架一端為固定鉸支座，另一端為沿桁架方向的單向滑動鉸支座，計算跨度自柱側或梁側牛腿中心起算，經計算，本方案最大桿件應力比出現在下弦，為0.898，最大撓跨比為1/425，計入檁條的單位面積用鋼量為 78.9kg/m2。

4 計算結果分析

方案一中鋼筋混凝土梁的最大撓跨比為1/282，考慮梁制作時預先按1/600起拱，最終撓跨比為1/532，滿足1/300的撓度限值要求[3]，此方案采用的結構梁高為1.7m，室內的風管貼梁底布置，計入安裝空間后的高度約為0.7m，室內實際凈高約為6.9m，沒有達到室內籃球場最低7m的凈高要求，無法滿足建筑的使用功能需求，故不采用此方案。

方案二、三的桁架結構均結合室內風管的布置調整了節間長度、取消了部分豎桿，使風管在桁架高度范圍內通過，不占用凈高，實際室內凈高約為7.2m，此兩種方案均可滿足安全性、適用性要求，且屋面鋪設的鋼筋桁架樓承板，結構剛度大，施工階段無需搭設腳手架，降低了施工難度，加快了施工進度。

方案三的立體桁架的弦桿計算長度為0.9L（L為桿件的節間長度）[4]，桿件截面主要由強度應力比控制，除兩端外，中部不設平面外支撐桁架，其平面外穩定性按格構式壓桿驗算可以滿足要求，經計算，方案三的單位面積用鋼量低于方案二，經濟性較好，且方案三的桁架榀數較少，屋面簡潔、干凈，空間效果較方案二更優。

綜合考慮并分析各方面因素后，最終設計采用方案三，即立體管桁架+鋼筋桁架樓承板。

5 結論

①在對大跨度屋蓋結構進行方案選型時要綜合考慮安全性、適用性、經濟性因素，在保證結構安全的前提下，必須要滿足建筑物實際使用需求，并兼顧經濟性因素。

②針對本工程長向跨度（X向）37.5～40.5m，短向跨度（Y向）23.6m 的大空間屋蓋結構，對3種擬定的結構方案的進行計算并分析，方案三立體管桁架方案在滿足安全性、適用性要求的基礎上，經濟性較方案二平面管桁架方案更優，室內空間效果更好，更美觀，且施工方便。