论某中学体育场看台管桁架顶棚的设计

论某中学体育场看台管桁架顶棚的设计

蔡正一

上海建筑设计研究院有限公司上海200041

摘要：本文结合一个中学的体育场看台，阐述了管桁架设计，大悬挑管桁架的抗倾覆问题。

关键词：管桁架；大悬挑；抗倾覆

引言

在管桁架设计中，需要经过计算和修改方案，在选定方案后再反复计算，才确定桁架的截面尺寸。

1工程概况

本建筑为一体育场看台，地点位于河南省新蔡县县城，框架结构，总宽12m，总长100m，总高13m。平面呈矩形布置。建筑结构的安全等级为二级，地基基础安全等级为二级，框架的抗震等级为三级抗震，抗震设防类别为丙类，基础设计等级乙级。

2管桁架的计算分析

2.1计算参数的选取

结合本工程桁架悬挑12米，桁架高度1.6米，材料Q235B钢。计算参数中的结构总体信息和风荷载信息两项比较重要，本工程位于6度区，悬挑跨度大于4m，应同时考虑水平地震和竖向地震作用。6度区地震作用小，一般情况下风荷载控制设计。看台顶棚采用铝板包裹，大面积的顶板由风荷载引起的上浮力很大，在菜单选项中蒙皮一项，按实际输入蒙皮厚度。荷载按实际输入，恒载输入1.0kN/m2，主要考虑铝板的自重。活荷载取值按照《荷载规范》5.4.3条，积灰荷载英语雪荷载或不上人屋面的均布活荷载两者中的较大值同时考虑，其中不上人屋面活荷载根据5.4.3条的条文说明可取0.3kN/m2，活荷载综合取值0.45kN/m2。在蒙皮选项中荷载方向至关重要，否则柱的弯矩异常，取成反向使得弯矩很小，桁架截面尺寸不满足设计要求。

2.2上部结构计算

钢桁架受力复杂，按空间模型进行计算更加符合实际。经过平面模型和空间模型的计算结果对比，空间模型的计算结果偏大20%左右。桁架的截面尺寸，上弦杆和下弦杆管径210mm，腹杆管径80mm，拉杆250mm。最开始的桁架设计没考虑拉杆，出现桁架高度大，挠度计算不满足规范要求，上下弦杆管径加大到300mm还是算不过，继续加大截面会造成自重过大和浪费材料，显然这样设计不合理。采用拉杆设计之后，挠度小很多，从安全上、舒适上和经济上都更加合理。空间模型的构件布置简图见图a。

在模型的处理上，构件的简化单元应符合结构的实际受力。看台层和顶棚之间的柱分两段，下面有一短柱长度为1.2米，便于上部钢柱的预埋，还有结构受力的需要。此处节点弯矩大，上部传递下来的弯矩最大，也有看台平层和下层柱顶的弯矩在该位置平衡。考虑预埋件来平衡节点弯矩不合理，所以采取了下部混凝土柱，然后上部钢柱插入下部混凝土柱并穿过节点核心区部位，保证了整个结构的整体性。

2.3基础的抗倾覆计算

图b左半部分基础平面布置图

12米悬挑跨度产生的倾覆弯矩要求基础有充足的抗倾覆力矩。本工程看台有左中右三个部分，右半部分有因有地下的消防水池采用整体筏形基础，抗倾覆刚度大。主要是左边和中部的基础，埋深相比右半部分较浅，根据地质勘察资料，可采用天然地基。仅两层的荷载，正常情况下基底面积2mX2m，现由于柱底弯矩大，零应力区验算不满足，加大基础平面面尺寸，最小的基础平面尺寸也有4.8mX3.4m，最大的能够达到6.6mX3.6m（长向为弯矩作用方向），基础底面积需加大3~5倍，才满足计算要求。左半部分的基础平面布置见图b。

独立基础埋深1.25米，规范规定的最小埋深0.5米，加大埋深，提高修正的地基承载力，同时也增加了在倾覆荷载作用下的基础侧边的被动土压力，也增大了基础的抗倾覆能力，提高整个结构的安全度。

3管桁架的构造

管桁架没有网架结构的球节点和开口截面钢桁架的连接板，施工方便，操作简单。桁架结构是由很多小截面杆件组成的“空腹式大梁”，这些小截面杆件包括拉杆和压杆，钢结构的抗拉和抗压强度大，整个桁架承载力高。自重小的特点可以是桁架做的截面更高，具备更大的抗弯能力，挠度又小，适合做比实腹式梁更大的跨度，还节约钢材，经济性好。看台的屋盖采用管桁架，最重要的是管桁结构外形美观，便于造型有一定装饰效果。管桁架结构整体性能好，扭转刚度大，制作、安装、翻身、起吊都比较容易。钢管结构的截面各项受力特性相同，长细比控制的压杆采用钢管结构更为经济。

管桁架的构件一般由稳定性计算确定，稳定性设计最关键。钢结构的稳定性设计和其稳定性的计算要保持一致性。因确保钢结构的构造和其构建的稳定性计算一致为设计中最为重要的问题之一，而在对稳定性进行考虑时，应从不同强度的需求来对钢结构的构造进行考虑。

管桁架的稳定性包括整体稳定性和局部稳定性。局部稳定要求弦杆和腹杆的长细比满足规范，管桁架设计主要考虑整体稳定性。空间管桁架一般采用倒三角形（图c），侧向刚度大，平面外的稳定性有保证。

图c管桁架横断面

看台悬挑桁架顶棚采用圆钢管直接相贯焊接的节点连接的形式，为K型的空间节点，相贯焊接节点形式简洁美观。对于直接焊接的钢管结构，在节点处是空间密闭的薄壳结构，其传力特点是支管将荷载直接传给主管，受力比较复杂。节点是钢桁架传力的重要构件，焊缝连接是确保节点传力的重要构造。相贯节点对圆管的切割和焊接要求高，对整个结构的安全至关重要。在焊接之前，需预先按将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割，这就需要对腹杆端头进行相贯线切割及弦杆的开槽切割。由于桁架结构中各杆件与杆件之间是以相贯线型式相交，杆件端头断面形状比较复杂，因此在实际切割加工中一般采用机械自动切割加工和人工手工切割加工两种方法进行加工。节点焊缝为一条连续封闭的相贯线，较难衬内衬管，为保证焊缝质量，现场一般采用二氧化碳气体保护焊进行打底，之后再进行手工电弧焊，分层焊接成活。因直接相贯节点焊缝是一条三维空间曲线，并不等同于普通构件的单一焊接方式，它是一种在同一焊缝上要求同时经历平焊、立焊甚至仰焊和俯焊等几种焊接方式组合的混合体，这无疑增加了焊工的操作难度。还有支管与主管的的相交角度，分为趾部区、侧部区、跟部区和过渡区，也相应增加了施焊难度。焊缝缺陷会造成焊接结构不满足使用要求，因此需要严格控制焊缝质量，才能保证结构的安全。

结语

本工程桁架悬挑跨度大，还设有拉杆，管径较大，受力复杂。设计时进行计算分析，对关键部位加强构造，保证了结构的整体性和稳定性。

参考文献

[1].GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社.2003.

[2].JGJ7-2010空间网格结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社.2010.

[3].GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社.2016.

[4].GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社.2012.

[5].王健.钢结构的稳定性设计研究[J].科技致富向导，2013，02：201.