樂園建筑大跨度鋼結構屋蓋設計選型分析

文／鄭建文 上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200000

引言：

隨著人民生活水平的提高，很多主題游樂園應運而生。此類建筑有一些特殊性，即室內空間跨度凈高要求較大，而且為滿足建筑裝飾外表皮造型要求，需要在主體結構上附加裝飾造型構筑物，由此而產生較重的屋頂荷載，區別于體育場館或交通樞紐建筑屋頂荷載較輕的特性，對于此類建筑的大跨度屋蓋的結構選型及設計分析在整個項目設計中具有關鍵意義。

1、項目概況及設計重點

1.1 項目概況

本項目位于江蘇省某市，建筑單體為平面呈矩形，兩方向長度分別為125m 和90m。的矩形，，為單層空曠建筑，無地下室，大屋面結構高度為35m,建筑裝飾造型最高高度為63m。大跨度屋蓋的平面接近正方形，長x 寬=99mx90m，建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

1.2 設計重點

本項目的特點決定了結構設計重點在大跨度屋蓋的結構分析，本文主要從以下幾方面展開屋蓋的結構設計：

（1）大跨度屋蓋的結構選型分析。

（2）屋蓋結構支座形式選取及計算。

（3）復雜節點應力分析。

2、大跨度屋蓋的結構選型

2.1 設計思路

出于經濟性考慮，本項目下部主體結構采用鋼筋混凝土結構，上部屋蓋擬采用鋼結構。由于本項目屋蓋平面達99mx90m，且屬于重屋面荷載，采用較為常用的鋼結構網架優勢不大，且網架桿件數量多，高空施工焊接量大。故本項目初步考慮鋼桁架結構，分別對單向平面桁架、雙向平面桁架、雙向空面桁架這三種布置形式，從結構合理性、經濟性、建筑可用性等幾方面進行對比分析，從而選出最適合的方案。針對本項目復雜情況，為分析全面透徹，采取鋼結構屋蓋和下部主體整體建模計算，分析整體位移、自振周期、支座反力、豎向構件軸壓比以及桿件內力等。

2.2 設計參數和荷載

本項目建筑抗震設防類別：標準設防（丙類）。抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組第一組。場地特征周期0.35s，場地類別Ⅱ類。抗震等級：下部主體為大跨度單跨框架，混凝土框架抗震能級提高到一級；鋼結構桁架三級。結構阻尼比：0.05（混凝土），0.02（鋼）。

大跨結構設計基本由豎向荷載占主導作用，因此豎向荷載的精確計算對結構的安全性和經濟性至關重要。屋面結構自重中，除屋面樓板自重、下部吊掛荷載外，屋頂的建筑找坡和建筑裝飾造型也占了相當大的比重。因屋面平面尺寸大且建筑限高，本項目屋面找坡如采用結構找坡，找坡的最高點已超過建筑限高，經研究采用多點虹吸排水，降低找坡高度，并采用輕質材料以降低找坡自重。

建筑裝飾造型采用輕鋼結構，對高度較高的造型與主體結構整體建模計算。

溫度荷載：有室外保溫結構，按結構合攏基準溫度20 度，最大溫差±35 度考慮。平坡屋面為風吸力，對桁架計算有利，設計時未考慮風荷載有利作用。

2.3 屋蓋鋼桁架結構選型

屋蓋鋼桁架分別進行以下結構方案選型對比：方案1-單向平面桁架、方案2-雙向平面桁架、方案3-雙向空間桁架三種結構方案進行對比。

采用YJK 計算軟件，為減少對比工作量，在鋼桁架方案對比階段，鋼桁架與下部主體結構均采用固定鉸支座連接，進行不同結構形式的分析計算，在滿足規范要求的結構變形和舒適度要求如表1的前提下，初步計算結果如下：

單向單榀桁架鋼結構：X 方向布置單向單榀鋼桁架，跨度99m,共布置五榀，每榀桁架間距15m。計算要求桁架高度9m,弦桿截面：□950x950x50x50。如圖2

圖2 單向單榀桁架鋼結構布置圖

雙向單榀桁架鋼結構：X 方向布置五榀單榀鋼桁架，跨度99m,每榀桁架間距15m。Y 方向布置六榀，跨度90m,間距約14m。計算結果桁架高度8m，弦桿截面：□800x800x45x45。

雙向空間桁架鋼結構：X 方向布置五榀空間鋼桁架，跨度99m,每榀桁架間距15m。Y 方向布置六榀空間桁架，跨度90m,間距約14m。結算結果空間桁架高7.0m，寬4.0m（桿件中心距離）。支座處采用變截面，變截面桁架最小高度1.8m。

從以上試算結果，單向單榀桁架受力平均清晰，但是截面高度太大，影響空間凈高，且平面外穩定性較差。相較于雙向單榀桁架，從整體受力來看，雙向空間桁架力的傳遞更合理，材料的性能可得到更大程度的利用，此外，空間桁架本身為高次超靜定結構，比雙向單榀桁架穩定性更強，通過對比，雙向空間桁架的桁架高度以及用鋼量更占優勢。因此，本項目鋼結構屋蓋最終選用雙向空間鋼桁架結構形式。

2.4 雙向空間桁架計算

對空間桁架的桿件截面進行進一步分析計算，以求選擇更加經濟合理的桿件。選擇矩形管桁架和圓管桁架作對比。結構布置均為X 方向布置五榀空間鋼桁架，跨度99m,每榀桁架間距15m。Y 方向布置六榀空間桁架，跨度90m, 間距約14m。結算結果空間桁架高7.0m，寬4.0m（桿件中心距離）。支座處采用變截面，變截面桁架最小高度1.8m。布置圖如圖3。

圖3 空間桁架布置圖

經計算，采用矩形鋼管空間桁架屋蓋體系總用鋼量約4600 噸，而圓管桁架屋蓋體系總用鋼量約4900 噸，兩者相差約6%。兩種截面下，屋蓋中部撓度都在1/400 左右，均能滿足規范要求。用鋼量差距不大。綜合對比優缺點如下表1：

表1 矩形鋼管和圓形鋼管對比

兩種截面形式各有利弊，含鋼量差距也不大，本項目考慮工廠生產加工因素，最終選擇矩形鋼管空間桁架結構屋蓋。見圖4

圖4 矩形鋼管空間桁架立面及頂視圖

采用YJK 和MIDAS GEN 計算軟件，主體結構按彈性模型計算，桁架支座形式：一端為鉸支座，另一端為帶阻尼滑動支座，進一步整體計算結果如下表2、表3。

表2 周期計算結果

層間位移（mm）最大層間位移角YJK YJK多遇地震X 向26 1/887 Y 向32 1/750

表3 位移計算結果

周期T3/T1 ＝0.724＜ 0.90，且多遇和罕遇地震下最大層間位移角均滿足規范要求。

此外，桁架最大豎向位移及撓度分別按標準組合和豎向地震組合進行計算，也滿足規范要求。見表4

表4 最大豎向位移及撓度計算結果

3、桿件內力、溫度應力及支座分析

本項目在進行桿件內力分析時根據抗震規范要求，對框架柱、框架梁、桁架關鍵構件分別進行內力調整。

經YJK 和MIDAS 兩種計算軟件計算，構件應力比、長細比均滿足規范要求，應力比最大值為桁架下弦桿長細比0.9。

對本項目這種跨度較大的空間桁架鋼結構，溫度影響很明顯，特別是溫差產生的應力影響。對于不同約束條件的鋼結構，隨著約束條件的變化，產生的溫度影響也有很大差別。如采用兩端鉸接支座，則無法充分釋放溫度應力產生的影響，弦桿中將會產生較大的拉力或是推力，并且對下部混凝土支承結構作用力增大。因此，本項目支座考慮一端鉸接一端滑移形式，支座一端采用帶阻尼的雙向滑移支座，另一端采用固定型球鉸支座。

支座處的桿件，受力復雜且重要性高，針對此節點，增加節點應力分析，選用ANSYS 計算軟件，最大應力295KN/m2。

支座分析模型見圖5，節點主要桿件內力見表5。

表5 節點主要桿件內力

圖5 支座分析模型

結語:

隨著建筑行業發展，越來越多的特殊建筑需要采用大跨度（接近百米）大空間的結構形式。本文通過實際主題樂園項目的典型案例，通過類比、計算、分析，得出以下結論：

（1）對于大跨度重荷載的鋼結構，采用雙向空間桁架更有利于整體受力、穩定性強、經濟性合理。

（2）針對大跨度鋼結構，需充分考慮溫度應力影響，并選擇合適的支座形式，一端采用帶阻尼的雙向滑移支座，另一端采用固定型球鉸支座，可釋放一定的溫度變形應力及地震力影響，提高結構性能。

（3）對于復雜鋼結構鋼件及節點計算分析應充分，并綜合考慮工廠加工等因素，選擇更優結構桿件和節點形式。

圖6 支座節點詳圖