大跨度體育館桁架的設計
大跨度體育館桁架的設計【1】
摘 要：在當今的鋼結構建筑屋蓋體系中，鋼結構桁架的結構支撐體系成為眾多大跨度體院館設計建造的主要形式。
大跨度體育館有著得天獨厚的優勢，其不但桁架結構線條流暢、安全實用、外形豐富，而且在人員數量容納和采光、通風等方面作用顯著，因此本文旨在通過對這種設計結構進行簡要的分析，以達到進一步認 關鍵詞：大跨度體育館;鋼桁架;結構設計;內力;桿件;抗震性能
鋼結構自身的重量小、強度高，可塑性和柔韌性都較強的特點，使其成為公認的具有良好性能的結構，而且以桁架為代表的鋼結構被廣泛應用到空間結構體系中，尤其是跨度較大，標高較高的大型場館，空間鋼結構管桁架設計作為其屋蓋結構發揮著很多的優點。
1 管桁架結構的分類
大量的建筑工程實踐證明：大跨度桁架結構的運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計理念相吻合。
伴隨著建筑業的不斷深化與發展，出現了許多類似跨度大、空間形狀相對復雜多變的鋼結構的建筑，而且在形式方面也日漸新穎。
桁架根據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構形式。
平面桁架是指上、下弦以及腹桿全部處于同一平面，而空間桁架結構的上、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，而后者的結構跨度大、穩定性高，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的桁架類型也有所不同。
2 大跨度桁架結構的受力分析及結構設計
大跨度桁架結構的受力分析及計算是鋼結構屋蓋體系中的重點和難點，因此無論是受力分析還是結構設計，都需要借助專業計算軟件的力量來達到事半功倍的效果。
2.1 計算軟件的選擇
大跨度桁架結構的設計一般使用同濟大學的3D3S軟件，同時還采用有限元軟件Sap2000進行校核。
3D3S可方便輸入單元、節點、局部單元荷載，各種工況荷載都可以通過導荷載的方式由面荷載轉化為節點荷載，風荷載可自動考慮風壓高度變化系數、風振系數;可套用多種規范進行驗算，特有同一模型中對不同的單元采用不同的控制參數功能;可方便輸出模型以及每一單元在各工況、組合下的內力、位移、應力比圖，因此，工程中最常使用計算軟件為3D3S。
同時，采用Sap2000對結構整體分析，可得到桿件最不利內力及結構最大變形。
2.2 受力分析
在大跨度體育館桁架結構的設計中，傳統的開口截面(如H型鋼和I字鋼)應用的很多，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構的受力特點和計算規則時，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式結構。
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。
前者主要指承重結構的自重(包括桿件及節點的自重)、屋面板及檁條的自重、馬道、吊掛燈具及其他設備的自重，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”。
管桁架結構的計算要滿足基本的規定：管桁架結構應進行重力荷載及風荷載作用下的內力、位移計算以及整體的穩定性驗算，并應根據實際情況，對地震、溫差變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下產生的位移與內力進行計算。
其中，內力和位移可按彈性理論，采用空間桿系的有限元方法進行計算。
外荷載可按靜力等效原則將節點所轄區域內的荷載集中作用在該節點上。
結構分析時，應考慮上部空間網格結構于下部支承結構的相互影響;另外應根據結構形式、支座節點的位置、數量和構造情況以及支承結構的剛度，確定合理的邊界約束條件。
當然，受力分析的重點是桁架的節點處。
統籌的講，桁架的相貫節點有K型、T型、馬鞍加強型(具體如圖1所示)，也需要對節點的受力形式及連接形式進行計算。
2.3 結構設計優化
追求永無止境，成功的設計是在保證安全、設計質量、規范要求等的前提下，盡可能地采用3D3S等結構設計軟件對桿件、節點進行對比分析，改善結構布局，運用新工藝、新材料、新技術、新設備來不斷地優化整個結構，以期達到經濟性和實用性的推廣作用。
3 大跨度桁架結構的強度和穩定性設計
3.1 抗風荷載作用的構造設計
對于大跨度的輕型屋蓋來講，風荷載的作用是影響結構穩定的重要因素。
大跨度體育館都要求內部空間的寬廣，而這勢必就造成屋蓋在風的吸力作用下被掀起，因此大跨度桁架結構的設計要充分考慮整個結構的抗風系數和抗風能力。
大跨度結構受力復雜，質量較輕、阻尼較小，處于湍流度高的低矮大氣邊界層中，導致負壓作用明顯，如屋面轉角、邊緣和屋脊等部位。
另外，這些部位的壓力波動往往較大，甚至有可能產生交變力的作用，因此這些部位容易成為大跨度屋蓋結構在強風破壞中首當其沖，對風災后大跨度屋蓋房屋破壞情況的實地調查資料也充分證實了這一點。
對于大跨度屋蓋結構的抗風問題，除了應對結構進行合理的抗風荷載設計以保證結構主體的強度以外，還需要針對桁架結構的薄弱部位和薄弱環節采取有效的抗風結構構造設計，用來加強結構各構件之間的整體性。
一般來講，體育館中大跨度桁架結構的抗風構造設計從下列三個方面考慮：①加強屋蓋系統自身的連接和整體性;②加強屋蓋系統與其承重墻(柱)體的連接;③加強桁架各個節點的連接形式。
3.2 桁架的抗震性能設計
地震是地殼運動時地表產生的一系列縱向和橫向顫動。
根據規范，凡屬劇場、體育館等大跨度公共建筑，其抗震措施按設防烈度均應選用8度設防，而且多采用時程分析進行補充計算。
采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于兩組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數曲線應與振形分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。
當采用振形分解反應譜法進行體育館大跨度桁架結構的地震作用分析時，要取前30個振形，而且對體形特別復雜或重要的需要取更多振形進行效應組合。
在抗震分析時，應考慮支承體系對其受力的影響，此時可將桁架結構與支承體系同時考慮，按整體分析模型進行計算，其中的地震作用效應分析的阻尼比可以根據不同的情況參照下表。
參考文獻
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體育館大跨度鋼結構屋蓋的結構設計【2】
【摘 要】進入二十一世紀以來，在經濟持續不斷發展的過程中，建筑行業也進入到了一個蓬勃發展的時期，期間涌現出了各種不同的新興建筑結構和新型工程設備，這類新興技術和新型設備的應用，對于現代建筑工程結構性能的提升帶來了巨大的便利。
如大跨度鋼結構結構，該結構形式為大空間建筑結構的修建提供了更好的技術支持，本篇文章主要對某體育館的大跨度鋼結構屋蓋設計進行了全面詳細的闡述，從而對其中的關鍵環節進行了全面的計算，以期為其他大跨度鋼結構建筑修建提供參考。
【關鍵詞】鋼管桁架;立體桁架;相貫節點
大跨度鋼結構是建筑行業不斷發展過程中出現的一種極為優秀的建筑結構形式，該建筑結構形式自身所具有的結構性能能夠為開闊性空間提供極為良好的結構支撐，避免結構出現各種不同的質量問題。
在大跨度鋼結構實際施工的過程中，最為重要的便是對大跨度轉換立體桁架計算、拱型倒三角形鋼管桁架計算、構造處理、節點設計等幾個方面。
下文主要針對體育館大跨度鋼結構屋蓋結構設計進行了全面詳細的闡述。
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、健身房等體育訓練用房及設備間。
一層局部為門廳及休息室，其余均不設樓板，以形成地下室大空間訓練用房。
二層是由籃球賽場、看臺、舞臺等組成大空間運動館，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房。
室內座位為3000 座。
屋蓋結構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;兩側低跨為跨度15.9m 的斜屋面，坡度5%，采用網架結構;屋蓋周邊縱向柱距8.4m。
屋蓋內無柱支承，在軸設一轉換立體桁架，其上弦作為鋼管桁架支座，下弦為網架屋面支座，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 大跨度轉換立體桁架。
拱形桁架拱頂標高23.65m，支座標高19.10m;兩側低跨網架結構支座為周邊框架柱及軸42.0m 大跨度立體桁架，檐口標高15.30m。
1.大跨度鋼結構屋蓋結構設計
1.1荷載取值
鋼結構屋蓋上弦均布恒荷載標準值取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準值取0.3kN/㎡，懸掛維修馬道恒荷載1.5kN/㎡，活荷載取1.0kN/㎡。
基本風壓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，溫度作用對結構的影響很大，考慮本地區季節性溫差，取△T=±25°C(結構施工安裝時的溫度與使用過程中溫度的最大差值)。
抗震設防烈度為6 度。
對拱形三角形鋼管桁架和立體桁架計算時按規范考慮各種工況及工況組合。
1.2結構分析
在對建筑實自身的結構體系進行分析的過程中，應當使用SATWE來進行整體分析。
而其屋蓋結構在進行分析的過程則應當使用有限元分析軟件SAP2000來對其進行深入的分析。
并且在實際分析的過程中，務必要保證立體桁架、單榀鋼管拱桁架、屋蓋鋼結構、組合工況這幾個方面的信息進行全面詳細的分析，最大限度的避免數據出現失誤對于分心結果所帶來的影響。
而在對桁架之上不同部位的弦桿件進行選擇的過程中，應當使用梁單元來計算，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計
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。
上弦桿支座處三節間為ф180×10，其余為ф180×6;下弦桿支座處三節間為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。
鋼管桁架制作時構造起拱15mm。
1.4大跨度立體桁架設計
轉換立體桁架作為屋蓋系統支撐，承受屋蓋拱桁架支座的豎向力及水平推力，是整個屋蓋設計的重點。
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。
為加強立體桁架的剛度，在立體桁架的每個集中力作用點處設置交叉支撐。
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。
立體桁架設計時，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行設計，跨中水平位移控制在15mm 內，豎向位移控制在30mm 內，以滿足作為屋蓋系統支撐要求及保證立體桁架側面玻璃幕墻安裝。
1.5節點設計
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構中，都屬于鋼管相貫空間體系結構，在進行焊接過程過程中，則應當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行焊接的過程中，就應當對不外露的管內加上相應的勁板，最大限度的提高節點承載力，避免相貫線部位所存在的壓力過大。
而其整體結構中的桁架支座應當使用具有板式橡膠墊的支座來支撐，通過這一結構形式的支撐，能夠極大的提升支座轉動所需要達到的相應要求，其實際參數不僅完全和假定數值想結合，還能夠對于支座的相關節點進行適應，適應的范圍包括了地震作用、溫度應力過程中所出現的不同程度水平變位。
而整個過結構體系對于結構支撐狀態來說，有著極大的益處，能夠極大的提升建筑結構壽命。
在對大跨度的立體桁架、拱型三角形鋼管桁架進行焊接的過程中，對其焊縫有著較高的要求：
(1)其中的矩形鋼管主材在進行拼接的過程中，務必要使用全熔透坡口來進行等強度對焊，而圓鋼管在進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的襯管，并且其焊縫的質量等級要保證達到一級的水準。
(2)桁架中的上下弦在工地上進行拼裝的過程中，應當使用全熔透坡口來進行焊縫對接，其焊縫所具有的質量應當達到二級。
(3)各個不同部位但是存在相貫的節點，也同樣需要保證焊縫的質量達到二級。
(4)支座、鋼管這幾個不同部分在進行全熔透焊縫對接的過程中，焊縫質量等級為一級。
2.結束語
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構形式進行了全面詳細的計算分析，并且在這一過程中還對共性三角形鋼管桁架、單榀轉換大跨度桁架、三角形鋼管桁架這三者之間所具有的相關協同性進行了全面計算。
并且根據計算結果，得出了以下建議：在實際施工的過程中，務必要對立體桁架的轉換過程進行實全面檢測，保證施工過程中各個不同桿件的應力值在一個良好的范圍之內，以便于其立體桁架擁有更好的結構性能。
【參考文獻】
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[3]張毅剛，薛素鐸，楊慶山，范峰編著，沈世釗主審.大跨空間結構.北京：機械工業出版社，2005.
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