某景区大门顶棚钢结构设计

【摘要】某景区大门顶棚充分结合其大鹏展翅的造型，采用平面桁架+转换桁架的钢结构作为受力体系。本文首先介绍其设计理念和结构体系，然后采用钢结构设计软件3D3S对其进行静力分析、动力特性分析，从各方面详细考察了该结构体系的安全性，为同类工程的设计提供借鉴。

【关键词】平面桁架+转换桁架钢结构；静力分析；动力特性分析

1、工程背景及结构体系概述

某景区大门顶棚建筑造型酷似大鹏展翅，结合其建筑造型采用平面桁架+转换桁架的钢结构作为受力体系，主体结构立面图如图1所示，主体钢结构高度约5m，宽度约30m。

结构的主受力体系为波浪形的平面桁架，通过横向稳定桁架、系杆和斜撑杆连接起来形成整体结构刚度。上下两个波浪形的桁架体系通过一个六边行的转换桁架柱连接在一起。所有构件均采用热轧无缝钢管，钢材采用Q345B。主要构件截面为φ76x4.0、φ60x3.5和φ38x3.5，总用钢量约为10000kg。

结构通过固定铰支座与下部混凝土结构连接，一共设置16个固定铰支座。

图1 入口门厅主体结构轴测图及立面图

2、荷载及作用

恒载包括构件自重和外包铝板重量。其中构件自重通过程序自动计算，其余部分取0.5kN/m2，屋面活荷载取0.5kN/m2。该地区50年一遇的基本风压ω0=0.35kN/m2，场地粗糙度为B类场地，风荷载体型系数按规范考虑；分析时，将结构恒载、活载和风载等效为线荷载施加在杆件上 [1] 。

该地区的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期Tg=0.35s，结构阻尼比η=0.035，多遇地震影响系数最大值为0.04，罕遇地震影响系数最大值为0.28。【2】

根据该地区的年平均最高和最低气温，结构分析时考虑最大升温差+20℃，最大降温差-20℃。

3、静力及动力分析

3.1 结构体系的荷载分析

通过设计软件3D3S对结构进行静力分析，图2为各种组合下构件的最不利应力比。结构最大变形发生在悬挑端部，悬挑段为L=5.8m，则Dmax=16.78mm=2L/691，满足规范要求。结构在最不利组合作用下的结构最大构件应力比为0.67，出现在下部主受力桁架上弦面外斜撑杆处，由该应力比可见构件存在较大的安全储备[3]。该地区的基本风压较小，相比风荷载效应的组合，温度作用效应的组合对结构更不利（详见3.2 结构体系的温度作用分析）。

图2 1.2DL+1.4LL结构应力图

3.2 结构体系的温度作用分析

超静定结构在温度变化时，会在结构中产生附加内力，有时会对结构产生不利的影响，而且该地区温差变化较大，所以在设计中考虑温度效应的影响。分析结果显示，支座ZZ1的支座反力Fx、Fy、Fz在恒载工况下分别是20.3kN、4.7kN、12.2kN，在活载工况下分别是22.7kN、2.7kN、17.8kN，在温度作用工况下分别为2.1kN、6.3kN、1.2kN；支座ZZ2的支座反力Fx、Fy、Fz在恒载工况下分别是2.9kN、3.5kN、5..8kN，在活载工况下分别是9.8kN、0.7kN、1.3kN，在温度作用工况下分别为7.1kN、1.0kN、1.0kN。温度作用对本结构杆件内力及支座反力的影响比较大，这是由于本结构的支座为两边对称分布的铰支座，变形难以释放。

由此可见，在温度作用控制组合下，支座水平方向的反力有非常敏感的反应，因此类似本工程这样对称布置固定铰支座的钢结构体系在设计中必须考虑温度作用的影响。

3.3 结构体系的地震作用分析

3.3.1 固有频率分析

对结构进行固有频率分析，计算振型数取30阶。振型图表明，结构的振型主要表现为上下两个波浪形桁架的整体变形，随着结构振型的阶数越高，上下两个桁架同时参与振动，如图3所示。由上述分析结果可以看出，结构具有较好的整体刚度，振型模态中没有出现局部振动，说明结构体系设置合理，刚度分布比较均匀。

3.3.2 多遇地震反应谱分析

取结构的前30阶振型，分别考虑X向和Y向的水平地震响应及Z向的竖向地震响应，其中竖向地震影响系数取水平地震影响系数的65%。分析结果显示，多遇地震作用下结构总体响应很小，例如支座ZZ1的支座反力Fx、Fy在温度作用工况下分别为2.1kN、6.3kN，在X向地震作用工况下分别为1.2kN、0.3kN；支座ZZ2的支座反力Fx、Fy在温度作用工况下分别为7.1kN、1.0kN，在X向地震作用工况下分别为3.2kN、0.1kN。由此可见多遇地震作用下的效应组合将不会对结构设计起控制作用。

结 论

本文通过对某景区大门顶棚钢结构的一系列计算分析，确保了该结构体系的安全性，并得到以下几点结论：

（1）结合本工程独特的建筑造型采用了平面桁架+转换桁架的钢结构体系，经分析其强度、刚度、整体稳定性和结构动力特性均能满足设计要求。

（2）由于本工程结构采用了对称布置的固定铰支座，相比风荷载和地震作用效应的组合，温度作用对结构内力的影响更大，所以在设计中不容忽视，在类似的钢结构工程中应引起重视。

（3）结构的动力特性分析结果显示本结构体系设置合理，总体刚度较好，刚度分布比较均匀。

参考文献

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

[2] 建筑抗震设计规范[S]，GB5001-2010，中国建筑工业出版社，2010.

[3] 钢结构设计规范[S]，GB50017-2003，中国建筑工业出版社，2003.