摘 要：本文主要介紹了該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型、設(shè)計(jì)思路、典型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析，本室內(nèi)運(yùn)動場主要結(jié)構(gòu)為平面拱形桁架。
關(guān)鍵詞：平面拱形桁架；典型節(jié)點(diǎn)；金屬維護(hù)
1.工程概況
某廠室內(nèi)運(yùn)動場是一面積較小且包含有籃球場、羽毛球場、乒乓球場及健身器材等的一個(gè)綜合性體育運(yùn)動場所，結(jié)構(gòu)形式為單層平面拱形桁架結(jié)構(gòu)；總建筑面積約3090m2，室內(nèi)建筑面積約2530 m2，平面建筑尺寸為長57.7m，寬52.9m，總高17.08m。本工程是在有所局限的地理位置上設(shè)計(jì)出有自己特色的建筑結(jié)構(gòu)，其立面布置見圖1所示。
本工程是由鋼柱、鋼桁架及柱間支撐、水平支撐組成的鋼框架支撐體系，主體結(jié)構(gòu)由H型鋼鋼柱、鋼管平面桁架、支撐及系桿組成，墻面次結(jié)構(gòu)為冷彎薄壁C型鋼，屋面次結(jié)構(gòu)為矩形型鋼；維護(hù)結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場復(fù)合保溫板，即金屬波紋外板+玻璃絲保溫棉+金屬波紋內(nèi)板。
本工程用鋼量統(tǒng)計(jì)，主結(jié)構(gòu)總用鋼量約140.4t，次結(jié)構(gòu)用鋼量約42.9t，基礎(chǔ)錨栓用鋼量約4t，結(jié)構(gòu)總用鋼量為187.3t，平均用鋼量（含錨栓）為60.6Kg·m-2；本工程結(jié)構(gòu)緊湊，造型美觀，經(jīng)濟(jì)效益較好。該工程由山西省長治市航建建筑安裝公司承建。
2.結(jié)構(gòu)選型與分析
2.1 結(jié)構(gòu)選型
本工程所處的地理位置是廠舊鍋爐房拆遷后所剩下的一塊地方,周圍都是樓房或建筑物，為了充分利用現(xiàn)有的建筑空間，它的平面形狀已被確定，見圖2所示。建筑長度為57.7m，寬度為52.9m，因此就要求在有限的區(qū)域內(nèi)建造出符合各功能要求且具有現(xiàn)代外型的一個(gè)室內(nèi)綜合性運(yùn)動場所。
本工程設(shè)計(jì)有三種方案，最初方案是主結(jié)構(gòu)的柱子采用混凝土柱，屋面采用大跨度壓型鋼板拱形結(jié)構(gòu)形式；但經(jīng)過進(jìn)一步的查閱資料[1]和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，此結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)，目前國內(nèi)已有多個(gè)工程在冬季大雪壓頂?shù)臅r(shí)候塌落，其主要原因是由于半跨雪荷載引起局部失穩(wěn)（半跨雪荷載容易引起下殼體失穩(wěn)），因此該方案被否定。
在后面的兩種設(shè)計(jì)中,主結(jié)構(gòu)均為空間桁架形式,區(qū)別主要在內(nèi)部的桁架結(jié)構(gòu)形式；方案二采用三角形拱形桁架，而方案三采用平面拱形桁架。
方案二采用空間桁架結(jié)構(gòu)（倒三角形桁架），見圖4所示，三角形空間桁架截面尺寸見1-1桁架截面圖；在2~7軸該空間桁架跨距為56.75m（直接從A軸到C軸），截面高度為1700mm，上弦桿間距為1300mm，下弦桿直徑選用φ219×12，上弦桿直徑選用φ168×8，腹桿直徑選用φ89×5；在1、8、9軸的桁架截面高度為1500mm，且由于該建筑所在位置的限制，它的柱距選用6.5m；對三角形空間桁架而言，它的優(yōu)勢是大跨度大空間時(shí)才能體現(xiàn)其合理的性價(jià)比（一般柱距在9m以上），才能體現(xiàn)它的造型美觀、承載合理和明顯的經(jīng)濟(jì)效益；在本方案中的柱距為6.5m，如果采用此三角形空間桁架，將會使屋面桁架布置過密，用剛量大，經(jīng)濟(jì)成本較高，因此該方案被否定。
2.2結(jié)構(gòu)分析
2.2.1 結(jié)構(gòu)布置
本工程C軸為北面，其結(jié)構(gòu)長度為52m，共8個(gè)開間，南面結(jié)構(gòu)長度為32.5m，共5個(gè)開間，每個(gè)開間6.5m柱距；2-7軸為兩連跨，跨距分別為21.75m和35m，在北面檐口處懸挑6.3m，1軸、8軸和9軸為單跨結(jié)構(gòu)，跨距為35m，在南面和北面檐口處懸挑6.3m（見圖3所示）。
本工程鋼柱柱腳剛接，主桁架與縱向桁架和鋼柱的連接為鉸接，抗風(fēng)柱柱腳鉸接，邊跨鋼梁與鋼柱連接為鉸接，在A軸桁架柱腳為鉸接。鋼柱為H型鋼柱，截面尺寸為H650×350×12×20，抗風(fēng)柱也為H型鋼柱，最大截面為H450×200×9×14；縱向桁架為平面鋼管桁架，（見圖6所示），主拱型桁架也為平面鋼管桁架，截面高度為1500mm，（見2-2 桁架截面圖），對于35m跨主桁架局部受力大的位置其下弦桿直徑為φ219×12。在1和9軸的邊跨屋面梁選用H型截面的拱型鋼梁；在B軸和C軸線上，在1、2軸之間和7、8軸之間分別布置了雙層交叉十字柱間支撐。在布置抗風(fēng)柱的軸線上通長布置了6道保證主桁架側(cè)向穩(wěn)定的垂直支撐；由于該空間結(jié)構(gòu)本身的不對稱性，為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)有很好的剛度，在屋面1、2軸之間，2、3軸之間，6、7軸之間，7、8軸之間和8、9軸之間分別布置了屋面橫向水平支撐，形成一有效的抗側(cè)力體系，用來保證整體結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性和穩(wěn)定性。其支撐布置見圖7所示。
2.2.2設(shè)計(jì)依據(jù)
依據(jù)國家有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加 速度值為0.10g，長治市所屬的地震分組為第一組[ 2 ]；建筑場地類別為Ⅱ類。主要設(shè)計(jì)荷載[ 3 ] [ 4 ]為：
屋面活荷載：0.50kN·m-2；
屋面恒荷載：0.30kN·m-2；（屋面采用輕型彩鋼板）
風(fēng)荷載：0.50kN·m-2；（按50年一遇設(shè)計(jì)）
主結(jié)構(gòu)鋼柱材料：Q345B鋼；
其余主結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料：Q235B鋼；
荷載組合按規(guī)范確定。
2.2.3計(jì)算結(jié)果
本工程采用上海同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模和內(nèi)力計(jì)算與分析，按現(xiàn)行國家規(guī)范設(shè)計(jì)[ 5 ]。主要計(jì)算結(jié)果見表1和表2，其中表1為選取合位移最大的前10個(gè)節(jié)點(diǎn)位移表，表2為前6個(gè)振型的結(jié)構(gòu)自振周期。
3.主體結(jié)構(gòu)和典型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
本工程采用3D3S軟件整體建模計(jì)算，也就是對整個(gè)空間結(jié)構(gòu)中
的鋼柱、鋼梁、縱向桁架、拱形桁架、支撐、水撐、屋檁等組合一塊進(jìn)行建模分析。圖8為用3D3S軟件建立的結(jié)構(gòu)模型圖。
3.1 支撐布置及其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
本工程的整體結(jié)構(gòu)不對稱，且檐口較高，因此支撐是該工程中主要的抗側(cè)力構(gòu)件。各支撐的平面布置已在圖7中顯示，不再詳述。通過計(jì)算和放樣，確定的柱間支撐如圖9所示，支撐選擇方向性比較好的圓形鋼管，按鉸接構(gòu)造；柱間支撐斷面為φ219×8；由于鋼柱比較高，為減小柱子的計(jì)算長度，在標(biāo)高6.5m位置和屋檐處通長設(shè)置剛性系桿，系桿斷面為φ133×6；由于該工程結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，C軸的剛度比B軸的剛度弱，因此在C軸的屋檐處通長設(shè)置了桁架結(jié)構(gòu)支撐來提高其縱向剛度，其上下弦桿斷面為φ114×4，腹桿斷面為φ70×3。為了保證體系的整體性和有效的傳遞水平荷載，在拱形桁架的平面外即上下弦設(shè)置側(cè)向垂直支撐，在拱形桁架的上弦設(shè)置水平支撐，垂直支撐和水平支撐采用高強(qiáng)度圓鋼拉索結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度為460MPa，選用φ20和φ25兩種拉索，使室內(nèi)的屋面結(jié)構(gòu)布置清晰、均勻、美觀。支撐的連接節(jié)點(diǎn)和拉索的連接節(jié)點(diǎn)如圖10所示。
3.2 主結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
B軸和C軸的鋼柱柱腳采用剛性連接，鋼柱底板增設(shè)抗剪鍵來提高柱腳的抗水平力；A軸的柱腳和抗風(fēng)柱的柱腳的連接形式同為鉸接；角部柱腳連接詳圖見圖11所示。主桁架和縱向桁架自身的節(jié)點(diǎn)是采用直接焊接的相貫節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)由于沒有節(jié)點(diǎn)板，節(jié)約鋼材，為保證支管端部的切割精度和焊接質(zhì)量，要求采用空間全自動拋物線
切割機(jī)進(jìn)行切割加工，桁架上下弦均為“K”型節(jié)點(diǎn)；B軸縱向桁架的端部連接采用螺栓夾板固定，主拱型桁架上下弦桿與縱向桁架和鋼柱的連接采用銷軸連接，它的加工制作相對簡單，與計(jì)算簡圖吻合，其節(jié)點(diǎn)詳圖見圖12所示。
4.屋面和墻面設(shè)計(jì)
4.1 屋面設(shè)計(jì)
由于本工程在建模過程中為整體建模，即屋面檁條也參與建模，因此，屋面檁條不僅承受恒荷載、活荷載等豎向荷載，同時(shí)還承受山墻傳來的風(fēng)荷載以及整個(gè)結(jié)構(gòu)的水平荷載。屋面布置有間距為1.5m的矩形檁條，檁條中間設(shè)一道拉條，檁條為□140×80×4；在布置抗風(fēng)柱的軸線位置上的檁條兼作剛性系桿，檁條截面加大為□140×140×4；用來傳遞山墻上的風(fēng)荷載。
本工程的屋面采用現(xiàn)場復(fù)合板型式，即屋面外板+保溫棉+屋面內(nèi)板，屋面外板和內(nèi)板均采用840型波紋鍍鋁鋅彩色涂層鋼板，外板基板厚度0.6mm，內(nèi)板基板厚度0.5mm。金屬屋面板具備結(jié)構(gòu)、裝飾和防水三重功能。外板和內(nèi)板中間鋪設(shè)有100mm厚容重為14Kg·m-3的玻璃絲保溫棉。整個(gè)屋面系統(tǒng)重量為23Kg·m-2(包含檁條)。為了本室內(nèi)運(yùn)動場采光和節(jié)能要求，在屋面布置了3道采光帶；同時(shí)為了促進(jìn)室內(nèi)空氣流動加快在屋脊布置了8個(gè)600型自然通風(fēng)器。
4.2 墻面設(shè)計(jì)
墻面選用180×70×20×3和160×70×20×3的C型鋼檁條，檁條中間布置拉條。在選擇墻體材料時(shí)主要考慮：1）選用輕質(zhì)材料，2）裝飾性，3）可維護(hù)性；墻面同樣采用現(xiàn)場復(fù)合板，即墻面外板+保溫棉+墻面內(nèi)板，墻面外板和內(nèi)板均采用840型波紋鍍鋁鋅彩色涂層鋼板，基板厚度均為0.5mm。金屬墻面板同樣具備結(jié)構(gòu)、裝飾和防水三重功能。外板和內(nèi)板中間鋪設(shè)有100mm厚容重為14Kg·m-3的玻璃絲保溫棉。在20年的正常使用年限內(nèi)，不需要特別維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料墻體。
5.結(jié)語
本工程具備鋼結(jié)構(gòu)所有的設(shè)計(jì)、施工、使用等的很多優(yōu)點(diǎn)，相對于混凝土結(jié)構(gòu)而然，它具有自重輕、施工速度快、性能好、環(huán)保、工廠化程度高、勞動強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)；由于本工程建造所在的地方周圍是換熱站、超市、賓館，它的地下面有很多暖氣管道、下水道、蓄水池，因此，鋼結(jié)構(gòu)自重輕的優(yōu)勢就非常明顯。方案二選用的三角形空間桁架它的用鋼量因明顯高于方案三的平面桁架，并且三角形空間桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要比平面桁架復(fù)雜，加工難度也相對復(fù)雜，因此方案三的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。
本文對在工程設(shè)計(jì)和施工中主要想說明幾點(diǎn)：1）首先要考慮建筑造型是否具有現(xiàn)代氣息；2）在結(jié)構(gòu)選型中要選擇經(jīng)濟(jì)效益比較好的結(jié)構(gòu)；3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要把大跨度、小跨度構(gòu)造合理劃分，減小設(shè)計(jì)和施工難度；講究布局的協(xié)調(diào)性；4）在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)首選結(jié)構(gòu)簡單，制作和施工方便的節(jié)點(diǎn)；5）要考慮長遠(yuǎn)利益，比如結(jié)構(gòu)新穎、環(huán)保等；
本文我們主要敘述了本工程的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程，希望能對相關(guān)的設(shè)計(jì)人員和施工人員提供有益的借鑒作用。
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[5] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.
作者簡介：
田海明（1975-），男，工程師，主要從事輕型和空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。
韓海林（1956-），男，高級工程師，主要從事輕型和空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。
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