开封恒大童世界文化旅游项目情景激流勇进游乐馆大跨度屋盖设计

开封恒大童世界文化旅游项目情景激流勇进游乐馆大跨度屋盖设计

柴浩1张倩倩2陆珺2

1机械工业第六设计研究院有限公司郑州450007；

2.机械工业第六设计研究院有限公司郑州450007

摘要：开封恒大童世界文化旅游项目为恒大旅游地产重点项目，其中情景激流勇进游乐馆单体屋盖为大跨度钢结构屋盖，屋盖形式为双向平面钢桁架，其下采用混凝土框架结构（部分框架柱内置型钢构件）支撑钢屋盖。采用MIDAS/Gen程序进行了屋盖分析，采用YJK程序进行了屋盖+主体整体分析。分析设计结果表明，采用双向平面钢桁架可很好地适应本单体重屋面荷载的要求，方便了屋盖以上高大包装塔的实现。

关键词：开封恒大童世界文化旅游项目；大跨度屋盖；双向平面钢桁架

1单体工程概况

开封恒大童世界文化旅游项目位于河南省开封市运粮片区西北组团规划区西侧。是专为少年儿童打造的全室内、全天候、全季节世界顶级童话神话主题公园，其中的情景激流勇进游乐馆为大跨度屋盖建筑。

本单体结构体系为混凝土框架结构（部分柱内置型钢）+大跨度屋盖，屋盖为由双向平面钢桁架组成的大跨度钢结构屋盖，桁架上覆钢筋桁架楼承板，屋盖高度约42m，除局部地下通道和地下设备房外，再无地下室。单体一个突出特点是建筑外皮外有复杂特色各异的外包装，外包装表皮由空间管桁架体系的外包装钢结构支撑，外包装荷载重，最重处为屋盖最中间处屋顶金字塔范围屋面，此金字塔范围内还坐落一水箱间，内置40吨水箱，重荷载给大跨度钢屋盖带来挑战。

本工程地处7度区，由于服务对象大都为未成年人，单体抗震设防类别为重点设防类，按8度考抗震措施。拟建场地为中软土，Ⅲ类建筑场地，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.1g，场地特征周期为0.55s，50年基本风压为0.45kN/m2，温度作用升温+20度，降温-20度，屋盖附加恒载金字塔范围为35kN/m2，金字塔范围的水箱间附加恒载为15kN/m2，建筑面层+下挂管道及吊顶附加恒载为8.5kN/m2；屋盖施工活荷载：金字塔尖塔四周10米范围以内为10kN/m2，高度10米及以下的外包装构件周围施工荷载为5kN/m2。大跨度屋盖+重屋面荷载，除此，支撑屋盖的支撑柱除周围对称布置边柱外，中间四颗不对称支撑柱也起到重要的作用，但其布置为非对称布置，以上因素都为本单体大跨屋盖设计增加难度。

2屋盖结构设计

2.1屋盖结构方案选择

本单体可供选择的屋盖结构方案有：单向立体管钢桁架结构、网架结构、双向平面钢桁架结构。最终选取了双向平面钢桁架结构，三种结构方案对比如下：

（1）单向立体管钢桁架结构：本单体中间区域设置四颗支撑柱，将钢屋盖基本分为左、中、右三大区域，每个区域屋盖结构受力形态基本为双向受力，采用单向立体管钢桁架结构不能充分发挥其主要应用于单向受力屋盖的特点，用于本单体不合适。

（2）网架结构：本单体屋盖结构为钢筋桁架楼承板，上覆复杂外包装，为重荷载屋面，网架结构较多应用于轻型屋盖，可实现轻盈美观的效果，应用于本单体时，杆件截面较粗，壁厚厚，球节点为非常规球节点，采购加工都困难，影响工期；杆件数量多，截面大，杆件有效使用率较低，用钢量高，经注性差。

（3）双向平面钢桁架结构：很好适应双向受力板格；屋盖为钢筋混凝土板，受压上弦杆可不用再验算整体稳定；屋面重荷载作用下桁架跨高比取9~10，上、下弦杆件截面形式取箱形，腹杆取H型，各杆件充份受力，经注性好。

综上，最终采用双向平面钢桁架结构的屋盖结构方案。

2.2屋盖结构主要布置

双向钢桁架短向跨度56.5m，长向跨度121.6m，桁架间距为13.5~20.0m，桁架上、下弦杆轴线间距6m，上、下弦杆截面为口800X400（个别口1200X400）的焊接箱形截面，壁板厚度30~50mm；腹杆布置为人字形+竖腹杆，腹杆采用H400x400或口400x400，与弦杆等宽，方便弦杆内设置加劲板及焊接连接；桁架与桁架之间布置两端铰接连接的钢次梁。钢材材质为Q355B或Q355GJB-Z15。

3大跨度屋盖设计

3.1分析设计流程

采用MIDAS/Gen软件进行屋盖分析，具体流程如下：

3.1.1用CAD拉好空间网格线，每一线条都代表着桁架钢构件，用不同图层表示弦杆、腹杆等不同钢构件；

3.1.2倒入MIDAS/Gen，定义截面、材料，完成钢桁架初步建模；定义恒、活、温度等静力荷载，定义地震反应谱工况；施加楼面荷载（考虑结构自重时考虑到数量较多的加劲板的设置，自重系数按1.2考虑），施加单元温度；定义固定铰接的边界条件并施加在不同桁架支座位置处；

3.1.3运行分析，查看跨中最大挠度变形是否满足《钢结构设计标准》GB50017-2017附录B的要求；转入设计模块，重点需要定义好“计算长度系数”和“编辑构件类型”，钢桁架上弦杆受满铺混凝土板影响，面内面外计算长度系数都为1，而下弦杆平面外则需根据腹杆断开后的段数确定，构件类型方面上弦杆可定义为框架梁，可不进行整体稳定验算。

3.1.4完整的一遍分析设计流程走完后，就需根据设计结果进行反复调整，主要以下几方面：

（1）支座调整，根据最初定义的固定铰接支座查看其支座水平反力，根据成品钢支座能承受的水平力水平进行部分铰接支座改为双向滑动支座的调整；

（2）钢构件应力比超限调整，控制上、下弦杆截面口800X400不变，改变板材厚度控制在30~50mm范围内，其中钢板厚为50mm构件采用Q355GJB-Z15钢材，50mm板材应力比仍超者截面改用口1200X400；考虑到部分腹杆受力较小，控制腹杆尽量采用H形钢构件，个别斜腹杆受力较大采用箱形构件，无论H形还是箱形外部尺寸都与弦杆等宽，方便加工和焊接，腹杆最厚钢板厚度也用到50mm；经调整，最终控制钢构件应力比不大于0.85。

（3）MIDAS/Gen中调整好的钢构模型转入到YJK中，与下部混凝土框架进行整体分析设计，控制桁架钢构件应力比不超0.9，满足规范要求，以此结果作为最终施工图设计依据。

3.2重点结构设计

3.2.1支座设计，桁架采用下弦支撑，采下弦支撑好处是钢构件可灵活布置，不受周边混凝土构件影响。受温度作用影响，部分支座水平反力很大，经反复分析调整，中间四柱处支座采用双向滑动支座，边支座部分左及上半部分支座采用固定铰接支座，右及下半部分支座采用双向滑动支座；支座落在下部支撑柱顶埋件上，埋件锚固件由直锚筋+十字抗剪钢板组成，具体规格由支座水平反力控制；支座参考《桥梁球型支座》GB/T17955-2009中支座进行设计。

3.2.2钢构件连接节点设计，桁架腹杆与弦杆连接节点采用腹杆圆弧过渡+弦杆内设横向加劲板的形式，杆件截面高度变化者及钢板厚度变化者都采用不超1：4的坡度缓变；屋面钢次梁铰接连接于桁架杆件上，根据计算结果采用单夹板或双夹板+摩擦型高强度螺栓的设计。

3.2.3下弦杆设计，下弦杆无混凝土板约束，其平面外计算长度需准确考虑；在中间四颗柱支座处，桁架存在负弯矩，下弦杆受力由受拉转变为受压，而此处位于整体屋盖中间位置区域，杆内内力很大，受压下弦杆为稳定控制，通过加大截面难以满足设计要求，此处在桁架下弦平面外设置两端刚接的钢次梁作为下弦面外支撑，减小下弦杆面外计算长度，下弦杆不作特别加强即可满足设计要求。

3.2.4金字塔设计，出屋面金字塔采用钢管桁架，桁架的落脚点对着主要屋面钢桁架，使得金字塔主要受力构件的反力直接传递给屋面钢桁架，管桁架节点连接采用相贯节点焊接。

4结语

开封恒大童世界文化旅游项目情景激流勇进游乐馆大跨度屋盖采用双向平面钢桁架结构方案，设计采用MIDAS/Gen进行屋盖结构设计，通过设置滑动铰接支座来释放温度作用下的部分水平反力，控制上、下弦杆件宽度及腹杆外形尺寸与上、下弦杆等宽使得杆件加工及焊接更为容易，主要通过壁厚调整满足不同区域杆件受力需要，下弦杆受压处设置平面外支撑杆减小下弦平面外计算长度使得按常规截面即可满足稳定验算要求，采用YJK软件进行整体结构分析设计。通过以上分析设计，本单体大跨屋盖设计满足规范要求，为重载大跨度屋盖提供一种解决思路。

参考文献：

[1]钢结构设计标准：GB50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[2]midasGen常见问题解答[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]钢结构设计手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.