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大跨度體育館桁架的設(shè)計(jì)
大跨度體育館桁架的設(shè)計(jì)【1】
摘 要：在當(dāng)今的鋼結(jié)構(gòu)建筑屋蓋體系中，鋼結(jié)構(gòu)桁架的結(jié)構(gòu)支撐體系成為眾多大跨度體院館設(shè)計(jì)建造的主要形式。
大跨度體育館有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，其不但桁架結(jié)構(gòu)線條流暢、安全實(shí)用、外形豐富，而且在人員數(shù)量容納和采光、通風(fēng)等方面作用顯著，因此本文旨在通過對這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的分析，以達(dá)到進(jìn)一步認(rèn) 關(guān)鍵詞：大跨度體育館;鋼桁架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);內(nèi)力;桿件;抗震性能
鋼結(jié)構(gòu)自身的重量小、強(qiáng)度高，可塑性和柔韌性都較強(qiáng)的特點(diǎn)，使其成為公認(rèn)的具有良好性能的結(jié)構(gòu)，而且以桁架為代表的鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用到空間結(jié)構(gòu)體系中，尤其是跨度較大，標(biāo)高較高的大型場館，空間鋼結(jié)構(gòu)管桁架設(shè)計(jì)作為其屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)揮著很多的優(yōu)點(diǎn)。
1 管桁架結(jié)構(gòu)的分類
大量的建筑工程實(shí)踐證明：大跨度桁架結(jié)構(gòu)的運(yùn)用一方面滿足了建筑的基本原則和要求，另一方面也與最新的設(shè)計(jì)理念相吻合。
伴隨著建筑業(yè)的不斷深化與發(fā)展，出現(xiàn)了許多類似跨度大、空間形狀相對復(fù)雜多變的鋼結(jié)構(gòu)的建筑，而且在形式方面也日漸新穎。
桁架根據(jù)桿件布置的不同以及受力方式的差異，一般分為平面和空間兩種結(jié)構(gòu)形式。
平面桁架是指上、下弦以及腹桿全部處于同一平面，而空間桁架結(jié)構(gòu)的上、下弦同腹桿通常處在一個三角形截面上。
一般說來，前者的外部剛度較差，而后者的結(jié)構(gòu)跨度大、穩(wěn)定性高，外觀通常也比較富有美感，因此被采用的較多。
另外，對于管桁架的連接件桿件截面的種類，一般常用的為圓形、正方以及長方形，選擇不同圖形的截面相應(yīng)的桁架類型也有所不同。
2 大跨度桁架結(jié)構(gòu)的受力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大跨度桁架結(jié)構(gòu)的受力分析及計(jì)算是鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此無論是受力分析還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都需要借助專業(yè)計(jì)算軟件的力量來達(dá)到事半功倍的效果。
2.1 計(jì)算軟件的選擇
大跨度桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般使用同濟(jì)大學(xué)的3D3S軟件，同時(shí)還采用有限元軟件Sap2000進(jìn)行校核。
3D3S可方便輸入單元、節(jié)點(diǎn)、局部單元荷載，各種工況荷載都可以通過導(dǎo)荷載的方式由面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，風(fēng)荷載可自動考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù);可套用多種規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，特有同一模型中對不同的單元采用不同的控制參數(shù)功能;可方便輸出模型以及每一單元在各工況、組合下的內(nèi)力、位移、應(yīng)力比圖，因此，工程中最常使用計(jì)算軟件為3D3S。
同時(shí)，采用Sap2000對結(jié)構(gòu)整體分析，可得到桿件最不利內(nèi)力及結(jié)構(gòu)最大變形。
2.2 受力分析
在大跨度體育館桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的開口截面(如H型鋼和I字鋼)應(yīng)用的很多，但相比較來講，尤以管狀的桁架更為常見，因此本論文在講述桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和計(jì)算規(guī)則時(shí)，主要是以管狀的桁架為例。
管桁架，是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。
通過建模分析以及荷載的組合分配，理論上將大跨度體育館桁架的荷載分為永久荷載與可變活荷載兩類。
前者主要指承重結(jié)構(gòu)的自重(包括桿件及節(jié)點(diǎn)的自重)、屋面板及檁條的自重、馬道、吊掛燈具及其他設(shè)備的自重，一般按從屬面積折算荷載值;后者主要是一些不確定的載荷，如風(fēng)荷載、雪荷載、上人屋面的荷載，甚至是地震荷載等作用在屋蓋上的“可動力”。
管桁架結(jié)構(gòu)的計(jì)算要滿足基本的規(guī)定：管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行重力荷載及風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、位移計(jì)算以及整體的穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對地震、溫差變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下產(chǎn)生的位移與內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。
其中，內(nèi)力和位移可按彈性理論，采用空間桿系的有限元方法進(jìn)行計(jì)算。
外荷載可按靜力等效原則將節(jié)點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在該節(jié)點(diǎn)上。
結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)考慮上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)于下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響;另外應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、支座節(jié)點(diǎn)的位置、數(shù)量和構(gòu)造情況以及支承結(jié)構(gòu)的剛度，確定合理的邊界約束條件。
當(dāng)然，受力分析的重點(diǎn)是桁架的節(jié)點(diǎn)處。
統(tǒng)籌的講，桁架的相貫節(jié)點(diǎn)有K型、T型、馬鞍加強(qiáng)型(具體如圖1所示)，也需要對節(jié)點(diǎn)的受力形式及連接形式進(jìn)行計(jì)算。
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
追求永無止境，成功的設(shè)計(jì)是在保證安全、設(shè)計(jì)質(zhì)量、規(guī)范要求等的前提下，盡可能地采用3D3S等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對桿件、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比分析，改善結(jié)構(gòu)布局，運(yùn)用新工藝、新材料、新技術(shù)、新設(shè)備來不斷地優(yōu)化整個結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的推廣作用。
3 大跨度桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
3.1 抗風(fēng)荷載作用的構(gòu)造設(shè)計(jì)
對于大跨度的輕型屋蓋來講，風(fēng)荷載的作用是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素。
大跨度體育館都要求內(nèi)部空間的寬廣，而這勢必就造成屋蓋在風(fēng)的吸力作用下被掀起，因此大跨度桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分考慮整個結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)系數(shù)和抗風(fēng)能力。
大跨度結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，質(zhì)量較輕、阻尼較小，處于湍流度高的低矮大氣邊界層中，導(dǎo)致負(fù)壓作用明顯，如屋面轉(zhuǎn)角、邊緣和屋脊等部位。
另外，這些部位的壓力波動往往較大，甚至有可能產(chǎn)生交變力的作用，因此這些部位容易成為大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)破壞中首當(dāng)其沖，對風(fēng)災(zāi)后大跨度屋蓋房屋破壞情況的實(shí)地調(diào)查資料也充分證實(shí)了這一點(diǎn)。
對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題，除了應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗風(fēng)荷載設(shè)計(jì)以保證結(jié)構(gòu)主體的強(qiáng)度以外，還需要針對桁架結(jié)構(gòu)的薄弱部位和薄弱環(huán)節(jié)采取有效的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)，用來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間的整體性。
一般來講，體育館中大跨度桁架結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)構(gòu)造設(shè)計(jì)從下列三個方面考慮：①加強(qiáng)屋蓋系統(tǒng)自身的連接和整體性;②加強(qiáng)屋蓋系統(tǒng)與其承重墻(柱)體的連接;③加強(qiáng)桁架各個節(jié)點(diǎn)的連接形式。
3.2 桁架的抗震性能設(shè)計(jì)
地震是地殼運(yùn)動時(shí)地表產(chǎn)生的一系列縱向和橫向顫動。
根據(jù)規(guī)范，凡屬劇場、體育館等大跨度公共建筑，其抗震措施按設(shè)防烈度均應(yīng)選用8度設(shè)防，而且多采用時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。
采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于兩組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振形分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。
當(dāng)采用振形分解反應(yīng)譜法進(jìn)行體育館大跨度桁架結(jié)構(gòu)的地震作用分析時(shí)，要取前30個振形，而且對體形特別復(fù)雜或重要的需要取更多振形進(jìn)行效應(yīng)組合。
在抗震分析時(shí)，應(yīng)考慮支承體系對其受力的影響，此時(shí)可將桁架結(jié)構(gòu)與支承體系同時(shí)考慮，按整體分析模型進(jìn)行計(jì)算，其中的地震作用效應(yīng)分析的阻尼比可以根據(jù)不同的情況參照下表。
參考文獻(xiàn)
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體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【2】
【摘 要】進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)不斷發(fā)展的過程中，建筑行業(yè)也進(jìn)入到了一個蓬勃發(fā)展的時(shí)期，期間涌現(xiàn)出了各種不同的新興建筑結(jié)構(gòu)和新型工程設(shè)備，這類新興技術(shù)和新型設(shè)備的應(yīng)用，對于現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)性能的提升帶來了巨大的便利。
如大跨度鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式為大空間建筑結(jié)構(gòu)的修建提供了更好的技術(shù)支持，本篇文章主要對某體育館的大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面詳細(xì)的闡述，從而對其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面的計(jì)算，以期為其他大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑修建提供參考。
【關(guān)鍵詞】鋼管桁架;立體桁架;相貫節(jié)點(diǎn)
大跨度鋼結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)不斷發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種極為優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)形式，該建筑結(jié)構(gòu)形式自身所具有的結(jié)構(gòu)性能能夠?yàn)殚_闊性空間提供極為良好的結(jié)構(gòu)支撐，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種不同的質(zhì)量問題。
在大跨度鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際施工的過程中，最為重要的便是對大跨度轉(zhuǎn)換立體桁架計(jì)算、拱型倒三角形鋼管桁架計(jì)算、構(gòu)造處理、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等幾個方面。
下文主要針對體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面詳細(xì)的闡述。
0.工程概況
某體育館建筑平面呈八角形，由65.4m×67.2m 矩形切角而成，地上三層，一層地下室。
地下室用作羽毛球館、乒乓球室、健身房等體育訓(xùn)練用房及設(shè)備間。
一層局部為門廳及休息室，其余均不設(shè)樓板，以形成地下室大空間訓(xùn)練用房。
二層是由籃球賽場、看臺、舞臺等組成大空間運(yùn)動館，看臺下夾層為辦公室、會議室及休息室等。
三層和局部四層為休息室、燈光音響控制室及機(jī)房。
室內(nèi)座位為3000 座。
屋蓋結(jié)構(gòu)橫向由不等高三跨組成，中間主跨跨度33.6m，為一拱形倒三角形鋼管桁架，凸出屋頂4.5m;兩側(cè)低跨為跨度15.9m 的斜屋面，坡度5%，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu);屋蓋周邊縱向柱距8.4m。
屋蓋內(nèi)無柱支承，在軸設(shè)一轉(zhuǎn)換立體桁架，其上弦作為鋼管桁架支座，下弦為網(wǎng)架屋面支座，立體桁架在軸間跨度為42.0m。
立體桁架的支座為軸柱頂鋼牛腿。
主跨拱形鋼管桁架支座為軸框架柱及軸42.0m 大跨度轉(zhuǎn)換立體桁架。
拱形桁架拱頂標(biāo)高23.65m，支座標(biāo)高19.10m;兩側(cè)低跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座為周邊框架柱及軸42.0m 大跨度立體桁架，檐口標(biāo)高15.30m。
1.大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1荷載取值
鋼結(jié)構(gòu)屋蓋上弦均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.35kN/㎡，局部裝飾吊頂取0.3kN/㎡;活荷載取0.5kN/㎡;屋蓋下弦均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.3kN/㎡，懸掛維修馬道恒荷載1.5kN/㎡，活荷載取1.0kN/㎡。
基本風(fēng)壓W0為0.35kN/㎡，地面粗糙度類別B 類。
基本雪壓S0為0.5kN/㎡。
由于中間主跨為33.6m 的拱形倒三角形鋼管桁架，溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響很大，考慮本地區(qū)季節(jié)性溫差，取△T=±25°C(結(jié)構(gòu)施工安裝時(shí)的溫度與使用過程中溫度的最大差值)。
抗震設(shè)防烈度為6 度。
對拱形三角形鋼管桁架和立體桁架計(jì)算時(shí)按規(guī)范考慮各種工況及工況組合。
1.2結(jié)構(gòu)分析
在對建筑實(shí)自身的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析的過程中，應(yīng)當(dāng)使用SATWE來進(jìn)行整體分析。
而其屋蓋結(jié)構(gòu)在進(jìn)行分析的過程則應(yīng)當(dāng)使用有限元分析軟件SAP2000來對其進(jìn)行深入的分析。
并且在實(shí)際分析的過程中，務(wù)必要保證立體桁架、單榀鋼管拱桁架、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)、組合工況這幾個方面的信息進(jìn)行全面詳細(xì)的分析，最大限度的避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)失誤對于分心結(jié)果所帶來的影響。
而在對桁架之上不同部位的弦桿件進(jìn)行選擇的過程中，應(yīng)當(dāng)使用梁單元來計(jì)算，而其屋面支撐體系以及腹桿這兩個部位則可以直接指定成為桿單元。
1.3三角形鋼管桁架設(shè)計(jì)
拱形三角形鋼管桁架的桿件采用Q345B 無縫鋼管，跨中高2.7m，支座高1.35m。
上弦桿支座處三節(jié)間為ф180×10，其余為ф180×6;下弦桿支座處三節(jié)間為ф180×10，外挑部分為ф121×4，其余為ф168×6;上弦水平腹桿及斜腹桿為ф68×4，上下弦斜腹桿為ф89×4。
鋼管桁架制作時(shí)構(gòu)造起拱15mm。
1.4大跨度立體桁架設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)換立體桁架作為屋蓋系統(tǒng)支撐，承受屋蓋拱桁架支座的豎向力及水平推力，是整個屋蓋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
該桁架軸間跨度為42.0m，豎向荷載及水平推力均較大，采用平面桁架難以勝任，故采用空間立體桁架。
立體桁架是由兩榀平面桁架組成的矩形空間桁架，截面高4.5m，寬2.2m。
桿件采用空心方鋼管，上弦桿斷面為500×300×16，支座處斷面為500×300×20，下弦桿斷面為300×300×12。
上弦腹桿斷面為250×250×12和160×160×5，其余腹桿斷面為160×160×5和100×100×4。
為加強(qiáng)立體桁架的剛度，在立體桁架的每個集中力作用點(diǎn)處設(shè)置交叉支撐。
立體桁架具有很大的抗彎抗扭能力，對傳遞屋面水平力和增加屋面的整體剛度十分有利。
立體桁架設(shè)計(jì)時(shí)，為確保安全，假定拱桁架水平推力主要由立體桁架上弦和水平腹桿組成的水平桁架抵抗。
立體桁架是按變形控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，跨中水平位移控制在15mm 內(nèi)，豎向位移控制在30mm 內(nèi)，以滿足作為屋蓋系統(tǒng)支撐要求及保證立體桁架側(cè)面玻璃幕墻安裝。
1.5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
三角形鋼管桁架、立體桁架這兩個不同部分在整個大跨度建筑結(jié)構(gòu)中，都屬于鋼管相貫空間體系結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行焊接過程過程中，則應(yīng)當(dāng)使用腹桿以及弦桿這兩個不同部分匯交相貫。
而在對極為重要的部分進(jìn)行焊接的過程中，就應(yīng)當(dāng)對不外露的管內(nèi)加上相應(yīng)的勁板，最大限度的提高節(jié)點(diǎn)承載力，避免相貫線部位所存在的壓力過大。
而其整體結(jié)構(gòu)中的桁架支座應(yīng)當(dāng)使用具有板式橡膠墊的支座來支撐，通過這一結(jié)構(gòu)形式的支撐，能夠極大的提升支座轉(zhuǎn)動所需要達(dá)到的相應(yīng)要求，其實(shí)際參數(shù)不僅完全和假定數(shù)值想結(jié)合，還能夠?qū)τ谥ё南嚓P(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)，適應(yīng)的范圍包括了地震作用、溫度應(yīng)力過程中所出現(xiàn)的不同程度水平變位。
而整個過結(jié)構(gòu)體系對于結(jié)構(gòu)支撐狀態(tài)來說，有著極大的益處，能夠極大的提升建筑結(jié)構(gòu)壽命。
在對大跨度的立體桁架、拱型三角形鋼管桁架進(jìn)行焊接的過程中，對其焊縫有著較高的要求：
(1)其中的矩形鋼管主材在進(jìn)行拼接的過程中，務(wù)必要使用全熔透坡口來進(jìn)行等強(qiáng)度對焊，而圓鋼管在進(jìn)行拼接的過程中也同樣需要使用全熔透的方式來對接焊縫，在焊接的過程中還需要加上相應(yīng)的襯管，并且其焊縫的質(zhì)量等級要保證達(dá)到一級的水準(zhǔn)。
(2)桁架中的上下弦在工地上進(jìn)行拼裝的過程中，應(yīng)當(dāng)使用全熔透坡口來進(jìn)行焊縫對接，其焊縫所具有的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)達(dá)到二級。
(3)各個不同部位但是存在相貫的節(jié)點(diǎn)，也同樣需要保證焊縫的質(zhì)量達(dá)到二級。
(4)支座、鋼管這幾個不同部分在進(jìn)行全熔透焊縫對接的過程中，焊縫質(zhì)量等級為一級。
2.結(jié)束語
綜上所述，本篇文章主要針對體育館自身的大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了全面詳細(xì)的計(jì)算分析，并且在這一過程中還對共性三角形鋼管桁架、單榀轉(zhuǎn)換大跨度桁架、三角形鋼管桁架這三者之間所具有的相關(guān)協(xié)同性進(jìn)行了全面計(jì)算。
并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出了以下建議：在實(shí)際施工的過程中，務(wù)必要對立體桁架的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行實(shí)全面檢測，保證施工過程中各個不同桿件的應(yīng)力值在一個良好的范圍之內(nèi)，以便于其立體桁架擁有更好的結(jié)構(gòu)性能。
【參考文獻(xiàn)】
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