某會議中心鋼結構設計研究

王彥斌

（甘肅省建設設計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

某會議中心建筑外形呈花瓣綻放狀橢圓形，工程建筑面積為10.5萬m2，地下1層，地上5層，建筑高度為64.5m。為滿足會議功能要求，5樓設計為宴會廳，宴會廳高度為14m，空間設計規格為100.8×64.8m。主體結構采用現澆框剪剪力墻結構，局部采用鋼混結構，采用鋼結構屋蓋。由于本工程鋼結構屋蓋較為復雜，最大跨度為45m，結構受力較大，為確保鋼結構屋蓋穩定性，本文對屋蓋結構體系設計進行深入研究[1]。

1 屋蓋結構體系設計

項目鋼結構屋蓋結構為平面兩側對稱結構，屋蓋結構雙側均由3片鋼結構組成，3片鋼結構自下而上分為3層，尺寸不一，且均存在一定程度的外挑。上片結構為鋼屋蓋主體結構，在結構設計時，為確保上屋蓋主體結構與中片、下片鋼結構協調銜接，在5層上部區域增設雙向鋼桁架轉換鋼柱，以滿足屋蓋鋼結構支承要求。屋蓋中篇與主體結構連接。由于下片鋼結構懸挑尺寸較大，在結構造型設計時，沿下部鋼結構外沿設置斜鋼柱作為結構支承。斜鋼柱根據下部鋼結構造型變化，斜鋼柱長度在23～29m范圍內，傾斜角度為8°～19°。

三片鋼結構在會議中心尾部收縮靠近，在支座部位形成整體，支承在會議中心主體結構混凝土樓面上。三片鋼結構尾部收縮為“牛角”形，最大懸挑跨度達45m，荷載集中，懸挑部分結構受力大。為分散結構荷載，屋蓋主體鋼結構設計采用H型鋼，尾部結構設計為圓鋼管，均為Q345-B型材質。

在整體結構設計的基礎上，為便于研究鋼結構整體荷載和穩定性，使用MidasGen軟件建立屋蓋鋼結構三維模型，與下部主體結構整體計算。計算時，主體結構為鋼混結構，屋蓋結構為鋼結構，兩者材質不同，阻尼比存在差異，根據相關技術規范，屋蓋結構和主體結構阻尼比分別取0.03、0.05，并綜合考慮兩者之間的相互作用影響，以此研究結構設計合理性[2]。

2 鋼結構線荷載與效應組合

通過建立三維結構荷載模型，分析研究荷載類型和荷載組合如下：

2.1 荷載類型

屋蓋鋼結構恒載標準值為0.7kN/m2，活荷載標準取值0.5kN/m2，基本風壓按50年重新期取值0.4kN/m2，地面粗糙度B類。由于會議中心造型較為特殊，考慮到屋蓋結構和幕墻結構遇大風時的兜風作用，在風荷載驗算時按1.4kN/m2（滿布）、0.8kN/m2（半部）和0.8kN/m2（半布風吸力）計算。

溫度荷載核算時，針對屋蓋結構縱向、橫向跨度較大的情況，屋蓋結構受溫度作用影響顯著，考慮到會議中心所在地區季節溫差較大，因此，溫度荷載取值為±25℃溫差計算。

本工程抗震設防類別為重點設防類，抗震設防烈度為6度，場地設計地震分組為第Ⅰ組，場地類別類別為Ⅲ類軟弱地質。

2.2 荷載組合

在鋼結構整體計算時，綜合考慮屋蓋結構整體恒荷載、風荷載、活荷載及地震作用對結構的不利影響，風振系數取1.3，則驗算鋼結構荷載組合為：①1.2恒載+1.4活載；②1.0恒載+1.4風載（吸）；③1.2恒載+1.4活載+1.4×0.6風載；④1.2恒載+1.4風載+1.4×0.7活載；⑤1.2恒載+溫度荷載；⑥1.2恒載+1.4活載+問對荷載；⑦1.0恒載+1.4風載（吸）+溫度荷載；⑧1.2恒載+1.2×0.5活載+1.3地震+0.7風載；⑨1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.6風載。

3 鋼結構設計

3.1 主桁架設計

鋼結構主桁架設計時，以橫向11榀桁架和和3榀縱向桁架組成雙向轉換桁架。橫向桁架布設間距為8.4m，跨度64.8m。根據屋蓋結構造型，中間桁架高度為6.0m，兩側橫向桁架以0.6m幅度下降高度，邊緣橫向桁架高度為3.0m。縱向桁架高度呈梯形下降趨勢。考慮到會議中心內部功能性要求和建筑吊頂要求，縱、橫向桁架底部高度保持一致。

橫向桁架上下弦桿、腹桿均為寬翼緣H型鋼。為確保結構穩定性，在橫咋桁架設計時，設計3種弦桿（H700型H型鋼）、腹桿（H350型H型鋼）組合方案，并進行方案設計比較。方案①：桁架兩側與鋼柱剛接，腹桿和弦桿采用鉸接連接方式；方案②在方案①基礎，調整距支座第二節間距斜腹桿方向，桁架與鋼柱連接采用鉸接方式，與第一節平行；方案③在方案②基礎上將桁架連接調整為剛接[3]。

經驗算3種方案荷載，在恒載和活載組合作用下，3種方案變形分別為96.94mm、100.86mm、98.91mm，其中，方案①變形較小，但上弦桿和弦桿應力比差異較大（0.886、0.707），接近于材料設計值。方案②將第二節斜腹桿壓桿通過優化設計調整為拉桿，有效降低了腹桿受到應力，但結構變形略有增加。與方案②相比，方案③上弦桿應力減小，下弦桿和腹桿應力增加，但均小于方案①，且方案③上、下弦桿受到的應力均為均衡，變形量小于方案①和方案②。經綜合對比三種方案結構受力，本設計選用方案③作為主桁架設計方案。

鋼柱作為桁架支承結構，其承載力性能應滿足結構設計要求，設計采用截面1600mm×1200mm鋼柱，經驗算，鋼柱結構承載力和變形均符合結構設計要求。考慮到橫桁架跨中腹桿應力較低，將部分腹桿調整為H300型鋼后，桁架位移增大，最大位移為105.54mm，能夠滿足腹桿L/400跨中要求，因此，腹桿對桁架剛度貢獻較大，僅調整腹桿大小，即導致哦桁架剛度下降、位移增加，增加腹桿長度則桁架剛度增加、位移減少，

3.2 屋蓋尾部結構設計

在屋蓋尾部結構設計時，為滿足屋蓋結構尾部造型要求，支撐結構最大跨度為45m，里面造型需達到鏤空效果，如上中下三片鋼結構分散受力支承必然導致結構高度增加，且在結構尾部造成三片鋼結構重疊，不能滿足結構造型要求。基于該問題，在鋼結構設計時，須將鋼結構在屋蓋尾部形成共同受力結構體系，豎向投影重疊部分增加，并能夠體現層次變化，但難以找出受力結構空間，因此，設計屋蓋尾部結構時，應結合屋蓋造型變化，通過變截面倒三角桁架將鋼結構荷載傳導至支承結構，從而滿足三片鋼結構受力要求。三角桁架設計置于中片、下片結構內，由于尾部鋼結構懸挑較大，單獨受力難度較大，借助桿件將兩片鋼結構組合形成四邊形桁架，通過將兩種咋桁架組合形成受力結構體系。組合受力結構體沿中、下片鋼結構水平布置，每4m設置一道，且組合受力體系隨尾部結構逐漸減小，尾部倒三角桁架尺寸為2.7m[4]。

尾部桁架受力構件為鋼管，鋼管構件選擇直接影響結構受力，從而影響屋蓋結構穩定性。根據已有研究成果和工程設計經驗，主管直徑與支管直徑比為1∶0.4～1∶0.75時，壁厚比為1∶0.5～1∶0.8時，桁架受力均衡。在尾部桁架受力計算中，按0.9計弦桿長度系數，腹桿長度系數取0.75，受彎管件剛度和轉動性能對長度和計算影響較大，但尚未形成統一的結論，結構設計時可按1.0驗算。桁架受力設計計算時，下弦桿選用直徑400mm厚14mm鋼管，腹桿選用直徑273mm厚10mn、直徑219mm厚度9mm和直徑159mm厚度8mm的鋼管，經驗算管件受力能夠滿足尾部鋼結構受力要求。尾部桁架設計為管式交匯相貫通節點，主管與支管軸線夾角大于30°，支管管間間距大于5mm，防止焊接時因距離過小而會影響焊接質量和結構受力。

3.3 尾部支座設計

會議中心屋蓋尾部結構設計14個支座，采用鉸接方式連接，防止混凝土構件承受鋼結構彎矩。支座落在主體結構預埋件上，最大支座壓力大于1600kN，最大水平向推力大于1800kN。由于預埋件承受的剪力較大，為平衡剪力作用，將預埋件頂面設計為15°傾角，將水平推力轉為支座的拉應力，從而降低尾部桁架結構受力體系對預埋件的剪力作用[5]。

此外，針對支座結構受力較大的情況，對支座部位混凝土受壓承載力進行驗算，支座混凝土厚度增加至600mm，并加強配筋至0.25%后可滿足支座受力要求。

4 結語

本工程中，屋蓋結構采用大跨度雙向桁架屋蓋鋼結構體系，主跨桁架兩側與鋼柱采用剛接方式連接，腹桿與弦桿采用鉸接方式連接，斜腹桿采用受拉設計。經對比結構設計方案，該方案受力合理、均衡，可滿足屋蓋鋼結構體系穩定性、安全性要求。屋蓋尾部結構采用倒三角桁架與四邊形鋼管組合形成的受力結構，并通過管件型號選擇，滿足了尾部結構受力要求。通過屋蓋鋼結構優化設計，在保障了結構受力的前提下，實現了會議中心造型設計要求，提高了鋼結構設計的合理性、科學性。