某大跨度钢桁架屋顶结构设计

某大跨度钢桁架屋顶结构设计

发表时间：2018-05-25T15:38:54.800Z 来源：《基层建设》2018年第8期作者：高智慧[导读] 摘要：本文以工程实际为例，介绍了大跨度钢桁架屋盖的结构设计，同时用MIDAS Gen进行了屈曲分析，以获得更加可靠的安全保证。

中国市政工程华北设计研究总院有限公司广州分公司 511400 摘要：本文以工程实际为例，介绍了大跨度钢桁架屋盖的结构设计，同时用MIDAS Gen进行了屈曲分析，以获得更加可靠的安全保证。

关键词：钢桁架屈曲稳定

1 工程概况

本工程位于广东省广州市番禺区祈福新邨内，项目为祈福新邨BC0104007.08地块祈福缤纷世界下沉广场屋顶。屋顶外形呈弧线形，在下轩铺铝单板，上轩铺铝单板以及玻璃面板，屋盖下方是各种游乐设施，屋盖钢结构支撑在两侧混凝土柱上。

该工程结构设计基准期为50年，钢结构屋顶部分安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防，场地抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组[1]。钢结构抗震等级为四级。

1.1 结构体系

钢结构屋顶采用桁架结构体系，跨度为42.5m，悬挑5.5m，总长度60m，钢桁架高度2.48m，屋顶效果图见（图一），结构三维计算模型见（图二）。

1.2 荷载工况

根据建筑结构所处的地理环境及其自身实际情况，考虑荷载工况如下：

(1)恒载。屋顶上轩取0.6KN/㎡，下轩取0.3KN/㎡。

(2)活载。屋顶活载取0.5KN/㎡。

(3)风荷载作用。50年一遇基本风压[2]取0.55KN/㎡，风振系数取 1.5[2]，风荷载体型系数取-1.5.

(4)温度作用考虑±20℃的温差。

(5)X和Y方向的地震作用（多遇地震）。

结构计算时将面荷载转化为节点荷载进行计以便符合实际的传力途径。

1.3 阻尼控制

本工程桁架的支座支撑在混凝土柱顶上，综合取钢结构屋顶的阻尼比取0.04[1]。

2 弹性分析

各工况组合下，对钢结构屋顶进行弹性分析，结构静力计算分析采用MIDAS Gen软件进行。钢桁架计算分析时考虑了上下轩杆檩条对桁架平面外的稳定约束作用，计算结果表明钢桁架所用杆件的设计强度（弯曲，抗剪）与整体稳定设计最大应力比对上轩杆为0.91，下轩杆为0.88，腹杆为0.82（图三）。

1.0恒+1.0活载工况下，钢桁架的最大挠度为71mm（图四）小于规范[3]规定的竖向变形限制L/400=42500/400=106mm，变形满足要求。

综上所述，整体结构强度、稳定及挠度均满足设计要求。

图三

图四

3 屋盖温度效应分析

虽然本工程钢桁架跨度较大（42.5m），但由于桁架支座坐落在两侧的混凝土柱顶上，同时采用的支座为叠层橡胶支座，由于混凝土柱较高且结构刚度不是很大，故屋盖结构对温度效应不是很敏感，但由于屋盖面积大，为了保证结构安全，需要计算温度作用，取±20℃的温差来计算。

计算结果表明，在温度作用下杆件的轴力并不是很大，结构计算满足要求。

4 结构稳定性分析

本工程采用MIDAS Gen软件对结构进行了屈曲稳定性分析以考察期整体稳定性。弹性屈曲分析时，采用1.0恒荷载+1.0活荷载作为基本荷载，本钢屋盖虽然上下轩杆都有檩条来作为轩杆的平面外支撑，但为了更加保证结构安全，也需要对轩杆平面外计算长度进行分析，计算依据为结构或构件屈曲失稳临界力计算公式：

Pcr=π2/（μl）2

通过MIDAS软件对结构进行屈曲分析，荷载工况为1.0恒荷载+1.0活荷载时，钢屋盖上轩杆的平面外屈曲模态如图五所示，可见屋盖上轩杆的平面外屈曲系数为21.97，具有较大的安全保障。

通过以上分析可见，钢屋盖上下轩杆设计檩条及相应支撑系统后对其平面外的约束大大加强，钢桁架面外稳定得到显著提高。

图五

5 钢桁架施工方案探讨

高位钢桁架的组装有散件高空散拼法，高空工作平台拼装法，整体吊装法等等。本工程钢桁架由于场地工作面大，可以采用整体提升法施工（最终施工方案由施工单位确定）。

6 结语

本文以工程实践重点介绍了大跨度钢桁架屋盖的结构设计，介绍了最基本的设计步骤。MIDAS的计算结果表明结构是安全可靠的。参考文献：

[1] 建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[2] 广东省标准：建筑结构荷载规范：DBJ 15-101-2014[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2014

[3] 钢结构设计规范：GB50017-2003[S]. 北京：中国计划出版社，2003 作者简介：

高智慧，工程师，一级注册结构工程师，Email：yjsb2003@。