论大跨度体育馆桁架的设计

摘 要：在当今的钢结构建筑屋盖体系中，钢结构桁架的结构支撑体系成为众多大跨度体院馆设计建造的主要形式。大跨度体育馆有着得天独厚的优势，其不但桁架结构线条流畅、安全实用、外形丰富，而且在人员数量容纳和采光、通风等方面作用显著，因此本文旨在通过对这种设计结构进行简要的分析，以达到进一步认识钢结构管桁架技术的目的。

关键词：大跨度体育馆；钢桁架；结构设计；内力；杆件；抗震性能

钢结构自身的重量小、强度高，可塑性和柔韧性都较强的特点，使其成为公认的具有良好性能的结构，而且以桁架为代表的钢结构被广泛应用到空间结构体系中，尤其是跨度较大，标高较高的大型场馆，空间钢结构管桁架设计作为其屋盖结构发挥着很多的优点。

1 管桁架结构的分类

大量的建筑工程实践证明：大跨度桁架结构的运用一方面满足了建筑的基本原则和要求，另一方面也与最新的设计理念相吻合。伴随着建筑业的不断深化与发展，出现了许多类似跨度大、空间形状相对复杂多变的钢结构的建筑，而且在形式方面也日渐新颖。

桁架根据杆件布置的不同以及受力方式的差异，一般分为平面和空间两种结构形式。平面桁架是指上、下弦以及腹杆全部处于同一平面，而空间桁架结构的上、下弦同腹杆通常处在一个三角形截面上。一般说来，前者的外部刚度较差，而后者的结构跨度大、稳定性高，外观通常也比较富有美感，因此被采用的较多。另外，对于管桁架的连接件杆件截面的种类，一般常用的为圆形、正方以及长方形，选择不同图形的截面相应的桁架类型也有所不同。

2 大跨度桁架结构的受力分析及结构设计

大跨度桁架结构的受力分析及计算是钢结构屋盖体系中的重点和难点，因此无论是受力分析还是结构设计，都需要借助专业计算软件的力量来达到事半功倍的效果。

2.1 计算软件的选择

大跨度桁架结构的设计一般使用同济大学的3D3S软件，同时还采用有限元软件Sap2000进行校核。3D3S可方便输入单元、节点、局部单元荷载，各种工况荷载都可以通过导荷载的方式由面荷载转化为节点荷载，风荷载可自动考虑风压高度变化系数、风振系数；可套用多种规范进行验算，特有同一模型中对不同的单元采用不同的控制参数功能；可方便输出模型以及每一单元在各工况、组合下的内力、位移、应力比图，因此，工程中最常使用计算软件为3D3S。同时，采用Sap2000对结构整体分析，可得到杆件最不利内力及结构最大变形。

2.2 受力分析

在大跨度体育馆桁架结构的设计中，传统的开口截面（如H型钢和I字钢）应用的很多，但相比较来讲，尤以管状的桁架更为常见，因此本论文在讲述桁架结构的受力特点和计算规则时，主要是以管状的桁架为例。管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格构式结构。

通过建模分析以及荷载的组合分配，理论上将大跨度体育馆桁架的荷载分为永久荷载与可变活荷载两类。前者主要指承重结构的自重（包括杆件及节点的自重）、屋面板及檩条的自重、马道、吊挂灯具及其他设备的自重，一般按从属面积折算荷载值；后者主要是一些不确定的载荷，如风荷载、雪荷载、上人屋面的荷载，甚至是地震荷载等作用在屋盖上的“可动力”。

管桁架结构的计算要满足基本的规定：管桁架结构应进行重力荷载及风荷载作用下的内力、位移计算以及整体的稳定性验算，并应根据实际情况，对地震、温差变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下产生的位移与内力进行计算。其中，内力和位移可按弹性理论，采用空间杆系的有限元方法进行计算。外荷载可按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。结构分析时，应考虑上部空间网格结构于下部支承结构的相互影响；另外应根据结构形式、支座节点的位置、数量和构造情况以及支承结构的刚度，确定合理的边界约束条件。

当然，受力分析的重点是桁架的节点处。统筹的讲，桁架的相贯节点有K型、T型、马鞍加强型（具体如图1所示），也需要对节点的受力形式及连接形式进行计算。

2.3 结构设计优化

追求永无止境，成功的设计是在保证安全、设计质量、规范要求等的前提下，尽可能地采用3D3S等结构设计软件对杆件、节点进行对比分析，改善结构布局，运用新工艺、新材料、新技术、新设备来不断地优化整个结构，以期达到经济性和实用性的推广作用。

3 大跨度桁架结构的强度和稳定性设计

3.1 抗风荷载作用的构造设计

对于大跨度的轻型屋盖来讲，风荷载的作用是影响结构稳定的重要因素。大跨度体育馆都要求内部空间的宽广，而这势必就造成屋盖在风的吸力作用下被掀起，因此大跨度桁架结构的设计要充分考虑整个结构的抗风系数和抗风能力。大跨度结构受力复杂，质量较轻、阻尼较小，处于湍流度高的低矮大气边界层中，导致负压作用明显，如屋面转角、边缘和屋脊等部位。另外，这些部位的压力波动往往较大，甚至有可能产生交变力的作用，因此这些部位容易成为大跨度屋盖结构在强风破坏中首当其冲，对风灾后大跨度屋盖房屋破坏情况的实地调查资料也充分证实了这一点。

对于大跨度屋盖结构的抗风问题，除了应对结构进行合理的抗风荷载设计以保证结构主体的强度以外，还需要针对桁架结构的薄弱部位和薄弱环节采取有效的抗风结构构造设计，用来加强结构各构件之间的整体性。一般来讲，体育馆中大跨度桁架结构的抗风构造设计从下列三个方面考虑：①加强屋盖系统自身的连接和整体性；②加强屋盖系统与其承重墙（柱）体的连接；③加强桁架各个节点的连接形式。

3.2 桁架的抗震性能设计

地震是地壳运动时地表产生的一系列纵向和横向颤动。根据规范，凡属剧场、体育馆等大跨度公共建筑，其抗震措施按设防烈度均应选用8度设防，而且多采用时程分析进行补充计算。

采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振形分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。当采用振形分解反应谱法进行体育馆大跨度桁架结构的地震作用分析时，要取前30个振形，而且对体形特别复杂或重要的需要取更多振形进行效应组合。在抗震分析时，应考虑支承体系对其受力的影响，此时可将桁架结构与支承体系同时考虑，按整体分析模型进行计算，其中的地震作用效应分析的阻尼比可以根据不同的情况参照下表。

参考文献

[1]戚豹，康文梅.《管桁架结构设计与施工》.中国建筑工业出版社，2012.

[2]中华人民共和国标准.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]中华人民共和国标准.GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]王杰，王俊平，王治.《空间钢管桁架几何尺寸对其内力变化的影响》.科学技术与工程2010第10卷第3期.

[5]张毅刚，杨庆山.大跨空间结构.北京：机械工业出版社，2005，1.