浅谈大跨度空间管桁架的结构设计

浅谈大跨度空间管桁架的结构设计

【摘要】近年来，钢管结构在工业及民用建筑中的应用日益广泛，大跨度的车站、机场、体育场馆等多采用钢管桁架结构，本人有幸参加大庆侏罗纪公园室内游乐场的设计，主体建筑为128米X112米的空间桁架结构。本文通过对该建筑结构设计的回顾，在理论分析和实际工程计算紧密结合的基础上，总结了空间桁架结构设计的一些方法和经验。

标签空间桁架；方案选择；计算分析；关键技术

1、工程概况

本工程位于大庆市区，单体建筑为八边形，建筑面积13475.74㎡，单向拱形屋面，长度128m，矢高12.8m；拱顶净高度28.5m。桁架最大跨度64米。室内景观游乐设施复杂繁多，地面高低起伏，建筑四周墙体均安装美国公司设计的布景，整个建筑对美观及空间要求很高，因此，整个建筑除四周设柱外，中间仅允许有4根圆柱支撑整个屋面体系。屋面三角形桁架内设置通长猫道，兼做表演照明和电缆桥架使用，合理的利用了建筑空间。

2、钢管桁架结构的形式及特点

2.1 管桁架的分类：根据受力特性和杆件布置不同，可分为平面管桁结构和空间管桁结构。

平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内，结构平面外刚度较差，一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。

空间管桁结构通常为三角形截面，与平面管桁结构相比，它能够具有更大的跨度，且三角形桁架稳定性好，扭转刚度大且外表美观。在不布置或不能布置面外支撑的场合，三角形桁架可提供较大跨度空间。一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构，且更为经济。可以减少侧向支撑构件，提高了侧向稳定性和扭转刚度。对于小跨度结构，可以不布置侧向支撑。

2.2 连接件的截面形式常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等，本建筑弦杆和腹杆均为圆管相贯。

2.3 桁架的外形：

从桁架外形（即从弦杆类型来分）方面可分为：直线型与曲线型管桁架结构。为了满足对建筑物美观和使用功能的要求，以及空间造型的多样性，管桁架结构多做成各种曲线形状，以丰富结构的立体效果。当设计曲线型管桁结构时，有时为了降低加工成本，杆件仍然加工成直杆，由折线近似代替曲线。如果要求较高，可以采用弯管机将钢管弯成曲管，建筑效果较好，但对加工工艺要求较高。

2.4 管桁架的优点

钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，在现代工业厂房、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站、宾馆等建筑中得到了广泛的应用，如上海体育场、首都机场新航站楼、广州新白云及长航站楼、广州国际会展中心、上海新国际博览中心等大型工程中均采用了钢管结构。工程实际表明，钢管结构既可以很好地满足建筑要求，又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标，符合钢结构的最新设计观念。

2.5 本建筑弦杆和腹杆的杆件均为圆钢管，那么钢管截面的优点主要有以下几个方面：

（1）圆管和方管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，故抗压和抗扭性能

好。对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同，有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度，对板件局部稳定性而言，闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下，建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。

（2）在截面积相同的型钢中，钢管外表面积最小，这就使得钢管与大气的接触面积最小，加之钢管往往会两端封闭，内部不会生锈，这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。而且钢管结构较易于清刷、油漆，故维护更为方便。

（3）钢管截面的流体动力特性好。承受风力或水流等荷载作用时，荷载对钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低得多。

（4）钢管加工便利。随着多维数控切割技术的发展，钢管的相贯线切割已经不再是难题，国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。

虽然就材料单价而言，钢管价格高于普通开口截面形式的型钢，但上述优点综合起来，钢管结构在众多结构形式中仍然是优先选用的基本结构形式之一。

3、本游乐园结构设计要领：

3.1 本建筑长128 m，宽112 m，单层，单向弧形屋面，拱顶高度28.5m。因建筑使用功能要求，除四周设柱外，中间仅有4根圆柱支撑整个屋面体系。本建筑柱网均为8mX8m的方格网，考虑建筑使用要求和经济性等因素，通过多次验算比较，最终屋面采用倒三角形空间管桁架体系，桁架的宽度及高度均为4米。东西为32-64-32米的桁架，间隔16米设一榀，南北为40-32-40米的托架，间距64,米。两榀托架之间间隔16米设桁架，主桁架及托架均相交于中庭四个圆柱上。双向桁架相交之处标高相同，构件共用，最终协调变形，共同受力。主桁架最大下弦管为Ф500×25，上弦管Ф351X16，两个上弦管与上弦腹杆组成平面桁架。屋面檩条采用矩形管，最大跨度12m，间距2m。焊于上弦管上。整个屋面设置水平交叉支撑，以增加屋面结构平面内的刚度，防止屋面桁架发生平面外失稳，并起到协调结构变形，减小结构的扭转变形、侧向位移的作用。

3.2 建筑四周柱采用1mX1m的矩形钢管混凝土柱；中间4根直径2m的混凝土柱。钢管混凝土柱采用泵送顶升浇灌法，宜在浇灌混凝土时加入适量微膨胀剂，掺量控制在5%以内。灌浆压力应控制在12MPa以内。

矩形钢管混凝土柱尚应按施工阶段的荷载对空钢管进行强度、稳定性和变形验算并控制空钢管在施工阶段的轴向压应力不应大于其钢材抗压强度设计值的60%。

3.3 结构计算软件为中国建筑科学院开发的PMSAP软件，考虑空间结构受力复杂性，及本建筑的结构重要性系数为1.1，所有杆件应力控制在0.8以内，位移按钢结构规范中无桥式吊车的单层框架控制。荷载均作用于节点上，同时考虑了温度荷载。本建筑最大应力杆件为与中央四个大柱相连的桁架及托架的下弦杆，经过计算，取截面为Ф500X25。同时该位置的4根腹杆轴向力较大，后加大至Ф325X16。计算完成后，采用3d3s空间管桁架整体建模复核计算，最终定下上述方案。

4、关键技术问题

4.1 本工程主桁架、次桁架、托架节点均为管材相贯节点，精度要求高，安装难度大，需对制作加工工艺、吊装工艺、高空管构件拼接等技术问题进行研究，解决空间相贯曲面放样切割和拼接的技术难点，确保制作加工和安装质量。

4.2 钢管混凝土柱的压力灌浆，注意骨料级配，水灰比，塌落度的控制及泵