24m跨重型屋面钢管桁架的设计选用

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【摘 要】本文结合上海某学校演艺中心24m跨重型屋面钢管桁架的设计，对不同高度及节点形式的桁架进行分析比较，选出最合适的桁架形式，为同类型的钢管桁架设计选用提供一定的参考。

【关键词】钢管桁架；重型屋面；高跨比 ；长径比

1、前言

近年来，钢管桁架结构在国内越来越多地被用于各种大跨度的公共建筑中，并且不断地得到完善和创新。其自身所具有的轻巧美观、经济牢固等特点，能够充分体现出优美独特的建筑造型和效果。

在以往的工程实例中，桁架结构大多数出现在轻型屋面的建筑中。如以前的仓库类建筑多采用型钢三角形或梯形屋架，美观实用造价低，而一些较大型的体育场馆和等候大厅等，则更倾向于采用异形空间桁架或网架。当屋面为非轻型或上面有较重荷载时，桁架的选用便有了一定的局限性，受跨度和空间高度的影响会较大。所以面对不同的工程时，还需要根据具体的情况和特点，采用相对合理的结构形式，来达到经济美观实用的目的。

2、工程概况

上海某学校内演艺中心，多层建筑，面积约7000m2，抗震设防烈度七度，乙类设防，基本加速度值0.10g，IV类场地，地震分组为第一组，特征周期0.9s，主体结构采用钢筋混凝土框架体系。整个建筑中包含一个小型的剧场，池座上方为大空间屋顶，横向柱间跨度为24m，纵向柱开间6m。因建筑声学等要求，屋面板须采用混凝土楼板，屋顶上局部还布置有空调设备外机，屋面下挂有空调风管、喷淋水管及装饰吊顶。由于剧场有严格的光学和声学要求，吊顶到屋面的竖向高度约为4.5m。该区域屋面考虑采用钢结构混凝土组合楼板，水平受力构件如采用实腹式钢梁显然并不经济，而采用桁架结构，不仅能大大降低用钢量，而且可以利用腹杆间的空档布置各类设备管道，美观并且实用。

钢管桁架实际应用中还存在着很多形式，有空间的也有平面的，杆件有圆管的也有矩形管的。本工程屋面部分除荷载较大外，柱网布置规则，无直接动力荷载，受力也简单明确，所以采用最简洁的斜腹杆平面圆管桁架还是比较合理的，杆件间采用开相贯线直接焊接的连接方式。由于桁架的承载力及用钢量与桁架高度有关，考虑空间高度允许，通过不同高跨比的桁架进行比较，选择较为经济合理的最终形式。

3、分析比较

桁架采用上承式结构，上弦杆两端铰接于混凝土柱顶，材质为Q345B，屋面为150mm厚压型钢板混凝土组合楼板，上有找平找坡及防水等建筑做法，恒载按6kN/m2考虑，活载按2kN/m2考虑，另外下弦考虑有悬吊恒载1kN/m2，由于桁架杆件截面主要是受轴力控制的，为了便于比较，各桁架弦杆采用相同的外径，腹杆尽量采用相同外径，不满足时再作调整。根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第10章的相关规定，桁架杆件内力分析时，节点视为刚接，檩条搁于上弦节点处。桁架布置简图如图1，荷载布置简图如图2，桁架自重软件计算时自动考虑。

显然采用桁架形式比实腹式钢梁用钢量大大减小，而同为桁架，从计算对比结果可以看出，由于杆件的规格较大，长细比远小于规范对受压构件长细比的限值150，因此桁架高度取得越高，杆件内力就越小，用钢量当然也越小，同时刚度也更大，挠度变形较小，应力比也较小，安全储备更多。如果再对比不同节间长度的两组桁架用钢量的相对变化，不难发现，节间长度较大的桁架经济性更好。实际上，由于屋面荷载较大，杆件应力由强度控制而非稳定，稳定是由对应的长细比所决定的，所以只有当杆件长度达到一定程度，长细比接近规范限值时，才可能达到最经济的高度。而对于本工程，考虑到实际空间高度的限制，尽管设备管道可以水平穿越腹杆间隙，但下方还有检修天桥，需要保证一定的净空要求，故选择2.4m高度的桁架较为合理，既考虑了一定的经济性，又兼顾了空间使用的要求。

实际上，根据《钢结构设计规范》10.1.4条，在满足桁架平面内杆件的节间长度或杆件长度与截面高度（或直径）之比不小于12（主管）和24（支管）时，分析桁架杆件内力时，可将节点视为铰接。也就是说，我们可以通过改变杆件直径，来控制节点的形式。不同的形式在经济性和安全性等方面对桁架应该会有不同的影响，节点可以是全刚接、全铰接或者是弦杆连续腹杆铰接。还是用前面的工程实例来进一步分析比较，当采用2.4m高度的桁架时，荷载相同的情况下，对比分析这三种情况的计算结果，详见表3。

从分析结果可以看到，杆件节点全铰接的桁架用钢量最小，但变形最大。由于桁架有自重荷载，软件计算分析时会考虑，而且实际会有变形，所以杆件不仅有轴向拉压力，还有弯矩。刚接节点的弯矩会在节点向各杆件传递，杆件应力于是就相对较大，而铰接节点形式的杆件更接近于轴向拉压杆，应力相对较小，所以杆件截面也可以取得更小，从而减小了用钢量。不过，这样其安全储备也有所减小。实际情况中节点是难以达到纯铰接的理想状态的，往往是弦杆是完整通长的构件而腹杆与其焊接，更接近于弦杆连续腹杆铰接的半铰接形式，如采用这种形式，既能比全刚接形式适当减小用钢量，又能保证一定的安全储备。

4、结论

通过以上分析，针对本项目的特点，24m跨的桁架选用2.4m高弦杆连续腹杆铰接的形式是最为合理的，具有一定的经济优势。

由此可见，在较大跨度的重型屋面选择采用钢管桁架时，很难达到最经济的高跨比，其高度受实际空间限制的影响很大，在实际设计选用时，应该尽可能选择较大的桁架高度和节间长度。同时可以针对具体工程的特点，结合建筑物对结构变形和安全储备的要求，通过控制杆件的长径比，选择最合理的节点形式，从而达到安全经济、美观实用的设计目的。

参考文献：

[1]GB50017-2003 钢结构设计规范

[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范

[3]GB50009-2012 建筑结构荷载规范

[4]钢结构设计手册（上册）（第三版）。北京：中国建筑工业出版社，2004

[5]钢结构CAD软件STS（2010版）。 北京：中国建筑科学研究院 PKPM CAD工程部，2011