滬渝高速公路仙桃服務區綜合樓鋼管桁架結構的設計與研究

李耀雄

一、工程概況

滬渝高速公路仙桃服務區綜合樓為三層框架結構，屋面為一橢圓形曲面，長軸方向尺寸為78.4m，最大懸挑長度為16.7m，短軸方向尺寸為25m，最大懸挑長度為5.3m；正立面通過立柱懸挑，立柱高7.65米，懸挑高度3.15m，厚度0.4m，外端懸挑跨度30.5米；屋面與立柱懸挑部分通過一0.4m厚的雙向曲面“飛躍”相連（如圖1所示）。

圖1 仙桃服務區綜合樓效果圖

二、鋼管桁架的計算模型及結構布置方案

整個鋼管桁架結構體系可分為以下三部分：（1）屋面桁架結構體系；（2）空間曲面連接桁架結構體系；（3）立柱懸挑桁架結構體系。鋼管桁架整體結構布置圖如圖2所示。

圖2 鋼管桁架整體結構布置三維圖

1.計算模型

結構的計算主要采用了同濟大學編制的3D3S計算軟件進行結構的靜、動力分析、截面驗算與優化設計，并采用美國CSI公司研制開發的通用軟件SAP2000計算程序進行對比分析。本工程先采用sketchup軟件及Autocad進行三維建模，確定主桁架的空間定位，然后通過主桁架的節點確定平面外的支撐弦桿位置。桿件之間的連接有鉸支和固支連接兩種，屋頂下部結構以及立柱懸挑桁架側向支撐均為混凝土結構。

2.結構布置方案

根據結構體系的外形特征，經過多種方案比較，屋面、立柱部分以及連接段均采用鋼管桁架結構體系，其承重主要由縱橫兩個方向的平面桁架組成，考慮到平面桁架平面外的穩定性，在桁架平面外均設有支撐弦桿。

（1）屋面桁架

在滿足建筑屋面為橢球面的外形條件下，將橫向桁架的上弦設計為圓弧，由于桁架支座距離不大（為8m），為節省鋼材，在桁架支座之間將下弦設計成圓弧，懸挑段然為平段。

（2）空間連接桁架

空間連接桁架為連接屋面與立柱左懸挑端的一造型新穎獨特的光滑曲面，曲面厚度450mm。該雙向曲面桁架的上下弦均為圓?。聪覘U上每點曲率相同）。

（3）立柱懸挑桁架

在立柱懸挑桁架結構體系中，桁架厚度與空間連接桁架一樣，均為450mm，當該整體桁架平面外無側向支撐時，懸挑端頭計算位移過大，無法滿足設計要求，為此，在水平桁架中部設置鉸接支撐，與主體鋼筋混凝土結構相連，每隔約2.5m設置一支撐點，該相連處設計為鋼結構雨棚。

三、荷載與作用

建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，抗震設防重要性分類為丙類建筑。基本風壓為0.5kN/m2，基本雪壓為0.5kN/m2。建筑物場地類別為三類。

1.恒荷載與活荷載

在計算模型中，恒載取值時屋面內外側考慮了裝修荷載、懸挑處吊頂荷載以及焊縫重量對鋼結構自重的影響。此外，屋面維修活荷載與雪荷載不同時發生。

2.溫度荷載

在進行鋼管桁架整體計算時，將結構主體桁架合攏時的溫度作為結構的初始溫度（也稱安裝標準溫度）。在確定結構的合龍溫度時，筆者首先考慮了當地的溫度氣象條件，并應使該溫度比較接近年平均氣溫，有利于合龍施工，其次考慮施工進度計劃與可能出現的變化情況，預留一定的允許溫度偏差范圍。

3.荷載工況組合

荷載組合考慮了非抗震設計時的荷載工況組合以及抗震設計時的荷載工況。桁架體系的活荷載布置考慮了活荷載布置的不利影響，并考慮了風向的不同作用對結構的影響。

四、構件截面設計

1.構件材料、桁架節點設計

本工程均采用無縫鋼管，每榀主桁架上弦及下弦主管為連續管，弦桿與主管鉸接連接，圓鋼管的連接采用相貫節點連接，相貫節點的設計根據規范要求，應驗算節點處焊縫的強度，以及支管的節點處承載力的驗算。節點設計的一般要求：

（1）上下弦主管應連續, 支管端部相貫焊接于主管上，支管端部相貫面切割應采用五維或六維相貫線自動切割機切割成帶變化剖口的與主管外表面完全吻合的空間曲線形狀, 直接焊接于主管外壁上。

（2）主管與支管之間的夾角以及支管間的夾角不應小于 30°。相貫節點各桿件的軸心線應盡可能交于一點, 避免偏心, 如果無法避免, 當偏心距小于主管的直徑的 1/4 時可不考慮對節點承載力的影響。

（3）支管端部應與主管接觸良好, 不得有局部空隙。

2.構件的截面選取原則

設計綜合考慮結構類型、節點構造等多種因素，遵循了以下原則：

從節點強度的觀點看，應優先選用管壁較薄的弦桿。

受壓弦管要求具有最大的回轉半徑，減小壓桿長細比λ，故選用直徑大而壁薄的鋼管，因而弦桿具有較大的出平面外慣性矩，使桁架在平面外具有最大的穩定性。

對于有間隙的節點，應盡量使斜腹桿對弦桿有最大的寬度比。為此，使弦桿的側向尺寸保持最小，同樣，其腹桿亦應采用直徑大而壁薄、而不采用直徑小而壁厚的鋼管。

按《空間網格結構技術規程》，上弦或下弦桿件當其內力分布較大時，將會造成沿受力方向相鄰桿件規格過于懸殊，而造成桿件截面剛度的突變，故從構造考慮，其受力方向相連續的桿件截面面積之比不宜超過1.8倍。

五、構件應力比限值與優化設計

在進行整體結構計算時，在滿足構件滿足長細比要求的同時，所有構件的控制應力比不大于0.8。考慮相貫節點的不均勻焊接及非節點荷載的影響，桁架次結構的控制應力比在0.5～0.8，主桁架控制應力比在0.6～0.8范圍內變化。

六、結論

（1）在仙桃服務區綜合樓鋼管桁架結構的設計中，在保證建筑外形美觀的前提下，整體桁架結構采用平面管桁架結構體系，鋼管之間直接相貫焊接，使鋼管之間的連接簡潔明了。屋蓋支座板式橡膠板墊塊，能較好地適應輕質屋面材料屋蓋結構對溫度變形的影響。

（2）在空間連接桁架結構體系中，由于該空間曲面為非圓球面，如何縱橫剖切該曲面，使得兩方向的平面桁架的上下弦均為圓上的一段?。淳哂邢嗤剩?，筆者結合建筑空間曲面的形成原理，建立該曲面的三維坐標方程及極坐標方程，得出了正確的剖切方向。該剖切方向的確定，解決了空間各節點的定位、施工圖的繪制以及工廠如何加工安裝該雙向桁架的難題。

（3）在立柱立柱懸挑桁架結構體系中，由于立柱懸挑較大，且向內側傾斜，懸挑端頭計算位移過大，無法滿足設計要求，為此，在水平桁架中部設置鉸接支撐，與主體鋼筋混凝土結構相連，該相連處設計為鋼結構雨棚，這樣既解決了立柱懸挑桁架的位移與安全問題，對建筑立面也無影響。