客运中心管桁架的结构设计

第19卷第3期宁波大学学报（理工版）V ol.19 No.3 2006年9月JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE ) Sept. 2006
文章编号:1001-5132（2006）03-0330-04
客运中心管桁架的结构设计
邬吉吉华1,2，何丽波2，许国平2，周泓2，刘中华3
（1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.宁波市建筑设计研究院科研所，浙江宁波 315012；3.浙江精工钢结构有限
公司，浙江绍兴 312000）
摘要：根据空间有限元建模计算，探讨了多跨的钢管桁架结构体系的天台客运中心候车大厅屋盖的结构布置、计算模型的对比. 分析表明采用倒三角形截面的管桁架在平面外稳定性较弱，在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成几何不变体系，否则应进行平面外的稳定分析. 管桁架的设计计算应考虑与下部结构共同作用，同时应反映施工对结构内力的影响. 管桁架的计算模型中采用刚性节点与弹性节点对内力的影响不大.
关键词：管桁架；结构设计；有限元
中图分类号：TU318+.1文献标识码：A
在大跨空间结构中采用空间管桁架是种合理经济的结构形式. 空间管桁架的自身刚度大，用钢量小，施工方便，可单制作，适用于复杂多变的建筑形式，并具有明快的结构传力方式[1-5]. 天台客运中心是浙南地区重要的交通枢纽，总建筑面积为15000m2. 采用造型新颖的园弧形屋面来寓意天台人民不断开拓进取的时代精神. 主体结构由候车大厅和售票大厅组成，总高度为20.37m. 东西长112.2m. 南北宽48.6m. 其中候车大厅平面尺寸112m×51m，柱距9m，下部结构采用钢筋混凝土现浇框架. 抗震等级为三级屋面为纵向园弧坡面. 工程设计的使用年限为50年. 建筑物重要类别为丙类建筑. 建筑结构的安全等级为二级. 钢结构的耐火等级为二级. 天台抗震设防烈度为6度. 基本风压为0.4kn/m2，雪压为0.5kn/m2. 地面粗糙度为B类，建筑物场地类别三类. 1结构体系布置
经多种方案比较，候车大厅屋面决定采用空间管桁架结构体系. 其承重主要由钢桁架、屋盖支撑体系以及钢檩条组成，如图1和图2所示. 根据建筑柱网布置，钢桁架ZHJ共计12，间距9m，采用三跨连续的倒三角形截面的钢管桁架. 其跨度分别为15m、27m、4.8m，支承于钢筋混凝土柱上，并向两侧各悬挑3m、6m. 倒三角形截面桁架的高和上边宽均为 1.5m. 钢桁架上、下弦杆选用较大外径和壁厚的圆钢管. 从钢管节点的构造来保证弦杆外径大于腹杆外径，弦杆壁厚大于腹杆壁厚. 按等间距 1.5m错位布置上、下弦杆节点来实现弦杆与腹杆以及腹杆轴线间的夹角大于30o. 同时在钢桁架承受较大横向荷载的支座部位纵向和横向进行了加强. 在本工程中上弦杆为2根φ203
收稿日期：2006-03-28.
基金项目：中国博士后科学基金（2005037512）.
作者简介：喆
邬华（1971－），男，上海人，博士后，高级工程师，主要研究方向：大跨钢结构、预应力混凝土结构等. E-mail:wuzhehua@
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斜撑，并加强了纵向垂直支撑下弦杆CHJ2；其他布于钢桁架支座处的纵向垂直支撑上、下弦杆为φ140×6，腹杆为φ75×3. 管材选用Q345B钢无缝钢管. 钢桁架、屋盖支撑体系的腹杆、内杆与上，下弦杆的连接，屋盖支撑体系与钢桁架的连接均采用全熔透对接焊缝.
在设计中要求腹杆以及支撑杆锥管端的相贯线和焊接坡口形式根据管件空间相交情况、焊接工艺评定的结果、考虑上下弦杆为曲杆等因素对切割轨迹的影响来综合确定，采用三维自动切管机一次切割成形并坡口. 屋盖支撑体系在与钢桁架弦杆中心线500mm处缩小管径，加大壁厚，避免了双K节点的杆件搭接，保证了相贯焊接的质量. 钢管的连接焊缝标准不低于二级标准，选用E5015型焊条. 钢檩条采用冷弯薄壁型方钢钢160×5，通过檩托按间距1.5m架于上弦杆节点. 钢檩条的拉条在檩条跨度的1/3处各设一道. 钢檩条与钢桁架的连接为普通螺栓连接. 钢檩条上覆铝镁锰合金屋面板，下衬轻型彩钢板，不仅满足建筑功能的要求，也加强了檩条的稳定性.
2管桁架计算分析
结构体系的布置保证了屋面结构可近似为刚度无限大，提高了管桁架的平面外的稳定性. 结构的计算采用了ANSYS、3D3S、SSDD PRO等多个计算软件建立了有限元模型，并对计算结果作了对比分析. 根据管桁架结构布置的特点，采用了是否考虑与下部结构共同受力2种不同的计算模型. 第一种为管桁架与下部结构同时考虑的计算模型，底部为固支；第二种为管桁架不与下部结构同时考虑的计算模型，这种计算模型的支座约束情况有活动铰支和固定铰支2种. 对管桁架的杆件均为梁单元，或均为杆单元以及上、下弦杆为梁单元，腹杆、内杆为杆单元的计算模式分别进行了计算. 下部结构为混凝土结构，混凝土强度等级为C30，其梁、柱均选用梁单元. 屋盖的主要荷载为包括竖向的恒载（自重）、活载和风载. 结构分析中没有考虑地震作用. 屋面的恒载、活载标准值分别为0.4kN/m2、0.5kN/m2. 考虑了活载的最不利组合. 荷载组合主要有如下几种：1.20恒载＋1.40 活载；
1.35恒载＋0.98活载；1.20恒载＋1.05活载＋1.40风载；0.50恒载＋1.19风载；1.20恒载＋1.40活载＋1.00温度荷载. 计算表明：(1)不同的计算软件所得的构件内力基本一致，结构变形形状和变形量接近. 其中设计工作的关键是要保证结构在各软件环境下几何模型的一致. (2)由于结构为多跨连续管桁架，故在不设侧向支撑时钢屋盖屈曲形态以面外为表现形式，且结构稳定系数为4.76，说明对于跨度较大的钢结构构件应加强面外的支撑. 在本设计中通过设置多道侧向支撑，使结构稳定系数得到较大的提高，提高了结构抵抗各种不利因素(如初始缺陷形态、最大缺陷计算值、残余应力、材料本构关系、侧向水平力等)的能力. (3)根据是否考虑与下部结构共同受力建立的不同计算模型所得的结构自振周期较为接近，整个结构模型所得的自振周期略大于纯钢屋盖. 这是由于下部混凝土主体结构重力荷载代表值占总重力荷载代表值约93%，相当于纯钢屋盖在钢柱根部连接了一个大质量块，因此低阶模态主要是纯钢屋盖振动的贡献. 另一方面整个结构钢屋盖的钢柱与混凝土结构连接不是绝对的刚性约束，因此相对于纯钢屋盖的模型，其整体刚度要小，自振周期要偏大. 各阶模态以平动为主，通过支撑构件的调整，可以减少扭转的成分，满足设计的要求. 在静力计算方面，上述不同计算模型所得的内力差别较大. 主要表现在管桁架关键部位处，如支座处反力和跨中处构件轴力. 其中的原因是钢屋盖的约束条件不同. 在设计中考虑施工现场在管桁架安装就位时下部结构承受钢屋盖传来水平力发生侧向水平位移，以及管桁架在支座处的水平变位等因素，因此需对计算结果进行综合分析调整，反映施工时内力重新分布的情况.
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(4)构件是否选用梁单元还是杆单元对设计结果影响不大. 主要原因是管桁架只承受结点荷载的作用，各构件内力以轴力为主，弯矩较小. (5)从荷载组合结果来看，本工程是多跨连续的结构，需要考虑活载多种不利的布置，构件控制内力比满布活载情况要增大10%左右. 其中竖向荷载组合起控制作用.
3结语
通过对天台客运中心候车大厅屋盖管桁架的结构设计，主要从结构体系布置、管桁架计算模型、计算分析三方面入手，得到了一些有益的经验.
(1)根据计算结果，在大跨空间结构中采用空间管桁架是一种合理经济的结构形式. 空间管桁架的自身刚度大，用钢量小，施工方便，可单制作，适用于复杂多变的建筑形式，并具有明快的结构传力方式.
(2)采用倒三角形截面的管桁架在平面外稳定性较弱，在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成几何不变体系；否则应进行平面外的稳定分析.
(3)管桁架的设计计算应考虑与下部结构共同作用，同时应反映施工对结构内力的影响.
(4)管桁架的计算模型中采用刚性节点与弹性节点对内力的影响不大.
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Structural Design of Steel-pipe Truss for Passenger Station
WU Zhe-hua1,2, HE Li-bo2, XU Guo-ping2, ZHOU Hong2, Liu Zhong-hua3
(1.Department of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.Ningbo Architectural Design & Research
Institute, Ningbo 315010, China; 3.Zhejiang Jingong Steel Structural Co. Ltd., Ningbo 312000, China) Abstract: Steel-pipe truss is characterized with definite load condition, simplified calculation modeling, simple construction, and economical cost of steel, etc, so it is a preferred structure form that are commonly used in large span structure. In this paper, the steel roof with multi-span of the Tiantai passenger station is used as a case study, and a computer model of space structure of the steel roof is established using finite element method. Through structure arrangement, calculation model comparison and joint design, it is shown that steel-pipe truss applied with inverse triangle section has compromised stabilization. In this case, additional lateral and longitudinal braces are needed to form invariant geometric system. The combined action of steel roof with inferior concrete structure should be considered, so the influence of construction can be reflected by structure’s internal force. The non-rigid effect of joints in the computer models is not significant and may be ignored.
Key words: steel-pipe truss; structural design; finite element method
CLC number: TU318+.1 Document Code: A
（责任编辑章践立）。