某体育馆空间钢管桁架结构设计
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摘要：固原体育馆座落于宁夏回族自治区固原市，本体育馆屋盖结构为空间钢管桁架结构。建立钢结构整体计算模型，通过两个软件的计算、校核，保证了结构设计结果的可靠性。为了研究柱子刚度对上部钢结构的影响，将混凝土柱子刚度放大、缩小各3倍，作为钢结构的弹性支座约束，再对钢结构进行分析，确保结构的安全。
关键词：体育馆钢管桁架结构计算校核 柱子刚度
Structure Design of Steel Pipe Spatial Truss of some Gymnasium
CAI Jian-liang
（Zhejiang Southeast Space Frame CO., LTD. Hangzhou，311209，China）
Abstracts:The Guyuan Gymnasium is located in Guyuan city of the Ningxia Hui Autonomous Region. The structure of this gymnasium roof is steel pipe spatial truss. Establish the entire calculation model of the steel structure, to ensure the reliability of the design results by calculating the steel structure with two programs. In order to study the column stiffness influence to the above steel structure, enlarge and shrink the column stiffness three times. Ensure the safety of the steel structure by calculating with the elastic support constraint.
Keywords:gymnasium, steel pipe spatial truss structure, calculating and check, column stiffness
中图分类号：TU318 文献标识码：A
1.概述
随着大空间建筑的不断涌现。作为空间结构之一的空间钢管桁架结构在全国各地已得到大量应用。固原体育馆就是空间钢管桁架结构应用的实例之一（图1），该体育馆座落于宁夏回族自治区固原市新区。本工程屋盖结构采用空间钢管桁架结构。
图1 固原体育馆效果图
屋盖中部为拱形聚酯膜采光通廊（MHJ），沿纵向设两榀呈空间三维曲线的主桁架（ZHJ），主拱桁架间有联桁架（LHJ）相连形成一个空间稳定结构。室外屋盖沿纵向设付桁架（FHJ），屋盖沿横向设多道次桁架（CHJ）。室内次桁架一端支撑于主拱桁架上，一端支撑于下部钢筋混凝土斜柱上；室外次桁架一端支撑于主拱桁架上，一端支撑于付桁架上。其中主桁架跨度达141.6m，付桁架跨度为40.5m，跨中最大次桁架上弦长为45.6m，次桁架最大悬挑11m。
2.结构概况
本体育馆的整体计算模型见图2。各个桁架弦杆的杆件汇总如表1所示，材质均为Q345B。
表1管桁架主要构件截面规格
桁架 杆件类型
ZHJ 上弦 钢管426×18
下弦 钢管351×18，351×14
FHJ 上弦 钢管219×12，245×12
下弦 钢管219×10
CHJ 上弦 钢管219×10
下弦 钢管219×10
图2 固原体育馆计算模型
本工程荷载情况如下：
恒载：屋面恒载：0.5kN/m2，膜结构部分：0.1 kN/m2；
活载：0.3 kN/m2；
雪载：0.4 kN/m2；
吊挂荷载：0.50.4 kN/m2；
基本风压：0.35 kN/m2；
温度作用：±35o。
地震作用： 8度，0.2g，第一组。
本工程采用同济大学的3D3S设计软件进行结构设计，同时采用有限元软件Sap2000进行校核。
3.结果分析
按照相关规范的要求，对本结构进行计算分析。现将3D3S和Sap2000计算的主拱拱脚支座工况反力列于表2中。
表2主拱拱脚支座工况反力（kN）
工况 3D3S计算反力 Sap2000计算反力
Fx Fy Fz Fx Fy Fz
恒载工况 109 1501 1023 104 1514 1035
活载工况 19 453 315 17 456 317
风工况1 －65 －307 －93 －65 －308 －93
风工况2 33 －528 －407 38 －537 －414
风工况3 93 －521 －425 100 －533 －433
风工况4 40 －566 －506 47 －575 －514
温度工况 －142 －3000 －1595 －130 －3021 －1609
地震工况 12 －358 －235 9 －362 －238
从上表看出，3D3S和Sap2000计算的结果是吻合的，由于主拱跨度大，温度对结构内力的影响较大。
通过结构分析，主拱上弦秆最大应力为0.739，下弦秆最大应力比为0.618，次桁架弦秆以及腹杆的应力比都控制在0.8以下，结构的强度是有保证的。主拱跨中最大竖向挠度为118mm，小于限制值60000/400＝150mm（主拱中间有两个弹性支座，间距60m），结构的变形满足要求。本结构设计是满足规范的要求的，并且具有一定的安全储备。
4.柱子刚度对结构的影响
本工程次桁架支撑于下部钢筋混凝土柱子上，因此柱子刚度对上部钢结构有一定的影响。
为了研究柱子刚度对上部钢结构的影响，将混凝土柱子刚度分级放大、缩小至3倍，同时考察相应支座反力及杆件应力比。以跨度最大的次桁架为例，相应计算的结果见表3。可见，随着支座刚度的变化，X方向的支座反力受到的影响最大，与支座刚度程线性增长。跨中弦杆最大应力比的变化不大，Z向支座反力变化也很小。
通过上述分析保证了钢结构的安全。
表3支座刚度变化影响表
支座刚度
变化 支座反力（kN） 跨中弦杆最大应力比
X Y Z
0.3 -41 -0.26 522 0.592
0.5 -60 -0.23 532 0.644
0.6 -73 -0.25 534 0.645
0.7 -86 -0.27 537 0.646
0.8 -98 -0.29 539 0.647
0.9 -111 -0.31 542 0.647
1（基准刚度） -123 -0.31 544 0.648
1.1 -136 -0.32 546 0.649
1.2 -148 -0.32 548 0.649
1.3 -160 -0.35 550 0.650
1.4 -172 -0.32 553 0.651
1.5 -184 -0.31 555 0.652
2 -240 -0.24 566 0.655
3 -342 0.04 584 0.661
5．小结
通过本钢管桁架结构的设计，小结如下。
复杂的空间钢管桁架结构，需采用两个计算软件进行计算、校核，保证结构设计结果的可靠性。
空间钢管桁架结构弦杆的应力比宜控制在0.8以下，保证一定的安全余量。
钢管桁架支撑与柱子上的情况，要调整柱子刚度１/３～３倍，分别进行设计校核，保证钢结构的安全。
参考文献
1. 中华人民共和国标准. GB 50017-2003 钢结构设计规范 [S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2003.
2. 中华人民共和国标准. GB 50011-2010 建筑抗震设计规范 [S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2010.
3. 中华人民共和国标准. CECS 280：2010 钢管结构技术规程 [S]. 北京： 中国计划出版社，2010.
4. 中华人民共和国标准. GB 50009-2012 建筑结构荷载规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.