孟文清，吳雪亭，張亞鵬，申兆緯

(河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056038)

空間管桁架結(jié)構(gòu)目前已廣泛應用于各類公共建筑、工業(yè)建筑中，例如機場停機坪、體育館、電廠儲煤棚等。管桁架結(jié)構(gòu)的廣泛應用與其自身優(yōu)點密不可分。鋼管構(gòu)件因其外形美觀、可形成不同的曲線形式，美學效果好，獲得了建筑師和業(yè)主的認可；且管桁架結(jié)構(gòu)所用桿件基本為圓管或方管，有利于單一構(gòu)件的穩(wěn)定設計；并且管桁架結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點大多采用相貫節(jié)點，該節(jié)點不僅美觀，而且節(jié)點自重較輕，施工安裝簡便[1]。隨著社會的發(fā)展，城市對建筑物美觀的需求越來越高，建筑物逐漸向外觀復雜，體型特殊的趨勢發(fā)展，外形復雜的同時也為結(jié)構(gòu)設計及施工帶來了難度。

由于鋼管結(jié)構(gòu)在中外的發(fā)展相對較晚，目前中外針對空間管桁架等鋼管結(jié)構(gòu)的標準、規(guī)程還僅局限于體型較規(guī)則的建筑物，對于體型異形、不規(guī)則的鋼管結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設計方面還無太明確的說明，所以針對體型特殊，形狀不規(guī)則的鋼管結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設計方面的探討具有重要意義。

桂堃等[2]對異形單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行了研究，探討了異形單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力機制，對不同結(jié)構(gòu)方案的撓度控制效果和經(jīng)濟指標進行了優(yōu)化比選，并對該異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進行研究，使在降低用鋼量的情況下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力仍滿足設計要求；于洋[3]對異形鋼網(wǎng)架的主要施工工藝及關鍵技術進行了研究；白云輝[4]對單曲平面桁架交叉異形網(wǎng)格桁架體系的施工技術進行了研究，針對異形結(jié)構(gòu)的施工難點分析了相對應的解決措施，為降低整體項目的成本，提高安裝的精確度，保障施工安全提供了一定的理論支撐。

目前，中外關于異形鋼管結(jié)構(gòu)的研究大多還集中在施工技術方面，對體型不規(guī)則的鋼管結(jié)構(gòu)尤其是異形管桁架的結(jié)構(gòu)設計方面的研究相對較少。本文以河北省邯鄲市某煤廠內(nèi)的管桁架儲煤棚工程為背景，從造型美觀、結(jié)構(gòu)合理、便于施工的角度針對異型管桁架結(jié)構(gòu)的設計難點及結(jié)構(gòu)布置方案等方面進行探討，在確保結(jié)構(gòu)使用功能的條件下使結(jié)構(gòu)體系能夠最大程度獲得經(jīng)濟性和安全性的雙贏[2]，展現(xiàn)出較好的應用前景。

1 工程概況

邯鄲某煤場應環(huán)保要求，需在廠區(qū)內(nèi)設置一座封閉式儲煤棚，該煤棚主要用來儲存煤矸石等材料。擬建區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境較為復雜，場地東西地形平緩，南北存在近3 m的高差，且南部有鐵路穿結(jié)構(gòu)而過，并有火車通行，西部和北部原有結(jié)構(gòu)及道路需保留，東部為廠區(qū)邊界。場地縱向長度123 m，橫向最大跨度47 m。根據(jù)甲方要求，主體結(jié)構(gòu)采用空間管桁架結(jié)構(gòu)，外圍護結(jié)構(gòu)由檁條和單層壓型鋼板組成。該工程設計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)為1.0，建筑耐火等級為二級。

2 設計難點

2.1 地形復雜，結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則

項目整體地形如圖1所示，擬建場地的東西、南北方向均存在高差，最大高差處為3 m，擬建區(qū)域的北側(cè)及西側(cè)為已建好的儲煤棚及磚廠，東南側(cè)為廠區(qū)的邊界，由于儲煤容量的限制應充分利用已有空地，場地的約束導致了結(jié)構(gòu)體型的不規(guī)則，設計中不僅要保證周邊建筑的正常使用，還需滿足自身結(jié)構(gòu)布置的合理性。

2.2 建筑造型要求高

由于擬建場地東側(cè)緊鄰廠區(qū)邊界，因此洗煤廠對該儲煤棚整體建筑造型要求較高，此工程建成后也將作為洗煤廠的標志性建筑，所以不僅要保證煤棚自身的美觀性還需注意整個廠區(qū)建筑的和諧。

2.3 儲煤棚內(nèi)有火車通行

擬建區(qū)域南側(cè)有火車通行，設計時需考慮預留一定的安全距離，且檐口高度的設置應確?；疖嚹軌蛘Ｍㄐ?。

2.4 支撐布置受約束

項目主體采用空間管桁架結(jié)構(gòu)，由于管桁架側(cè)向剛度小，因此需設置支撐來保證結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定；因本結(jié)構(gòu)為異型結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)行規(guī)范中未給出針對異型結(jié)構(gòu)的支撐布置要求，因此支撐體系的布置也是本次設計中的難點及重點。

3 結(jié)構(gòu)設計與分析

3.1 結(jié)構(gòu)布置方案

3.1.1 拱桁架設計

根據(jù)地形圖可初步確定桁架跨度為16～47 m，為保證廠區(qū)整體的美觀性，盡量使擬建煤棚與周邊已有煤棚高度相近，并且此煤棚主要用于儲存煤矸石等材料，在高度上要求不高，因此確定矢跨比取1/6左右。

在網(wǎng)格尺寸方面，由于上弦通常是受壓桿件，從桿件的穩(wěn)定性方面考慮，上弦受壓容易失穩(wěn)，因而確定采用倒三角截面形式[5]。為保證屋脊處的聯(lián)系桁架及屋面檁條可保持直線布置，降低施工難度，按屋面坡度方向?qū)⑸舷覂筛覘U的位置進行相應調(diào)整，如圖2所示，桁架高度參考《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》，保證屋面坡度呈流線型，桁架高度取跨度的1/30～1/20不等[6]。

——A case study of Hydropower Station in Xinnagela，Yunnan Province XU Yong-chao FAN Ya-hong LIAO Shao-zhong et al.(35)

圖2 桁架立面圖Fig.2 Truss elevation map

3.1.2 桁架柱設計

擬建煤棚主要用來儲存煤矸石等材料，一般不需使用斗輪機等大型機械設備，為保證煤棚的日常使用要求以及棚內(nèi)火車的正常通行，故確定檐口高度為9 m，柱高6 m，如圖3所示。從建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性以及便于施工的角度考慮，確定柱距為8～9 m，采用桁架柱兩腳落地的布置形式，鋼柱下部為鋼筋混凝土柱。連接節(jié)點多為相貫節(jié)點，與拱桁架相連的節(jié)點處由于受力復雜，故采用焊接球節(jié)點[7]。

為保證桁架柱及檐口高度的一致，在桁架底部根據(jù)地勢高差，設置不同高度的擋土墻找平。

3.1.3 支撐體系設計

由于管桁架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，需布置支撐使儲煤棚形成一個整體的空間結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)平面外的穩(wěn)定及屋蓋的縱向水平剛度[5]。本工程考慮布置縱向聯(lián)系桁架、抗風柱以及上弦水平支撐等支撐形式。

(2)抗風柱設計：在結(jié)構(gòu)兩端布置抗風平面桁架柱，來抵抗風荷載以及屋脊聯(lián)系桁架傳來的水平力。綜合考慮 ZHJ7-10北側(cè)柱距較大及檁條布置等影響因素，在桁架之間增設平面桁架柱[8]。

(3)水平支撐設計：為增強屋蓋的整體剛度，并保證屋架上弦桿在平面外的穩(wěn)定，同時能夠?qū)⒖癸L柱傳來的風荷載傳遞到縱向柱列[8]。參照規(guī)范在結(jié)構(gòu)單元兩端第一柱間的位置設置上弦橫向水平支撐，由于桁架縱向長度較長，在中部需增設水平支撐，經(jīng)計算，桁架跨度最大處側(cè)向剛度較弱，故在跨度最大處增設上弦水平支撐以提高其側(cè)向剛度，因ZHJ6-8處結(jié)構(gòu)受力復雜，故在此處也增設水平支撐，具體布置如圖4所示。結(jié)構(gòu)計算模型如圖5所示。

圖4 桁架平面圖Fig.4 Truss plan map

圖5 結(jié)構(gòu)計算模型Fig.5 Structural calculation model

3.2 荷載取值

①永久荷載：桁架桿件和節(jié)點自重由計算機程序自動生成；②屋面恒荷載：本工程屋面采用彩鋼板和屋面檁條體系，因此上弦恒載取值為0.2 kN/m2；③屋面活荷載：管桁架屋面一般不上人，均布活荷載標準值可取0.5 kN/m2；④雪荷載：該地區(qū)的基本雪壓為0.4 kN/m2(50 年一遇)；⑤風荷載：該地區(qū)基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為B類；⑥溫度作用：設計考慮溫差為±30 ℃；⑦地震作用：該地區(qū)抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15 g[9]。

3.3 設計參數(shù)

①材料：鋼管、封板材質(zhì)均選用Q235B級鋼；②應力比：一般桿件應力比限值為0.9，控制關鍵桿件應力比限值為0.85；③長細比：立體桁架其一般位置處拉桿長細比限值為250，壓桿長細比限值為180；關鍵位置處拉桿長細比限值為200，壓桿長細比限值為150。支座附近桿件其長細比限值按照壓桿取值，限值為150[7-10]；④撓度限值：桁架撓度按照L/250(L為跨度)控制。

3.4 結(jié)構(gòu)靜力分析

采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件進行管桁架結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的內(nèi)力分析，分析結(jié)果如下：確定桿件種類共計11種，其中最大桿件截面尺寸為φ273 mm×12 mm，最小桿件為φ48 mm×3.5 mm,焊接球尺寸為D350 mm×12 mm;主體結(jié)構(gòu)總用鋼量為150 t；本工程中的管桁架結(jié)構(gòu)跨度為16～47 m，桁架撓度按照L/250控制，撓度限值為64～188 mm，經(jīng)計算分析得出位移、應力最不利工況均為1.3自重+1.3恒荷載+1.5活荷載+0.84上吸風，本桁架在最不利工況下的最大豎向撓度為35.1 mm，小于64 mm，結(jié)構(gòu)豎向變形滿足要求；桁架在最不利組合工況下的最大應力比小于控制值0.85，滿足應力比限值的要求。

3.5 結(jié)構(gòu)動力分析

運用Sap2000結(jié)構(gòu)分析軟件，采用Rize向量法對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。定義質(zhì)量源來自荷載，自重、附加恒荷載的系數(shù)為1.0，活荷載的系數(shù)取0.5。截取桁架模型前6階振型圖如圖6所示。前26階振型，其自振周期及振型質(zhì)量參與系數(shù)見表1[11]。

表1 前26階振型周期及振型質(zhì)量參與系數(shù)Table 1 The first 26th mode vibration mode and the mode quality participation coefficient

圖6 結(jié)構(gòu)前6階振型圖Fig.6 The 6th order mode diagram of structure

通過對管桁架結(jié)構(gòu)進行的模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)頻譜比較密集，豎向振型不明顯，第1～3階振型為比較明顯的X向水平振型，第7、9、15階振型為Y向平動振型，第4、6、14階振型為扭轉(zhuǎn)振型，其他各階振型較復雜，表現(xiàn)為水平與扭轉(zhuǎn)的耦合[12]。

根據(jù)設計參數(shù)對該異型結(jié)構(gòu)進行了地震作用下的響應分析，采用振型分解反應譜法，由于結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則，《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50012—2010)規(guī)定，對于質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)計算應同時考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，故本工程計算時計入雙向地震作用[13]。地震作用與最不利組合工況下的靜力計算結(jié)果比較見表2。

表2 靜力與地震作用下的內(nèi)力和位移Table 2 Internal forces and displacements under static and seismic forces

綜上可知，在7度多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的軸力和位移響應較小，因此，在本工程中，地震作用對結(jié)構(gòu)的軸力和位移響應不起控制作用。

4 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析的目的在于得到結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載，采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件進行管桁架特征值屈曲分析。荷載考慮恒荷載+全跨均布活荷載組合[14]。特征值屈曲分析結(jié)果如表3所示，該結(jié)構(gòu)最小屈曲因子為11.7，經(jīng)計算，在線性分析的情況下結(jié)構(gòu)屈曲荷載為8.189 kN/m2。

表3 屈曲系數(shù)Table 3 Buckling coefficient

5 結(jié)論

以邯鄲某煤場的鋼結(jié)構(gòu)儲煤棚工程為例，對異型管桁架的結(jié)構(gòu)設計進行了研究，主要啟示和結(jié)論如下。

(1)工程的方案設計很好地解決了因結(jié)構(gòu)體型、高差等其他影響因素造成的結(jié)構(gòu)設計難題，且結(jié)構(gòu)造型美觀，材料利用率高，降低了成本。

(2)根據(jù)計算的結(jié)果合理布置支撐體系，保證了桁架平面外的穩(wěn)定。由于工程結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則，屋脊處的聯(lián)系桁架與拱桁架存在一定角度，無法保持垂直布置，因此對聯(lián)系桁架在應力集中處進行加腋措施，保證聯(lián)系桁架維持側(cè)向穩(wěn)定的能力，有效解決了桁架側(cè)向穩(wěn)定問題。保證了桁架的平面外穩(wěn)定。

(3)該異型結(jié)構(gòu)在7度多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的軸力和位移響應較小，故地震作用對結(jié)構(gòu)不起控制作用。

(4)結(jié)構(gòu)布置過程中應考慮建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性以及施工的便利性。工程通過調(diào)整各榀桁架的桁架高度，以及上弦弦桿的位置使屋頂坡度呈流線型，確保屋頂處聯(lián)系桁架及屋面檁條能夠呈直線布置，使結(jié)構(gòu)受力更合理，并降低施工難度。