某中学体育馆钢桁架屋盖结构设计要点

某中学体育馆钢桁架屋盖结构设计要点

李龙

北京市住宅建筑设计研究院有限公司， 北京市， 100005

摘要：当前人们对建筑空间使用需求的不断扩大，公共建筑的跨度也越来越大，对于某些跨度大，荷载大，支座位置受建筑柱网限制的建筑，大跨度钢桁架屋盖结构的使用更加切合工程要求， 本文介绍了北京某中学地下体育馆钢桁架屋盖的设计过程，重点介绍了屋盖结构体系以及在分析和设计中涉及的关键问题。采用PKPM-STS和MIDAS两种软件分析计算互相复核，同时采用了sap2000对屋盖结构自身进行了舒适度验算。

关键词：体育馆；钢桁架；滑动支座；舒适度验算

1 工程概况

某中学地下体育馆，建筑平面不规则，由32.6m X 26.9m矩形切角而成，地下一层，净空约9m，由篮球场、羽毛球场、看台等组成大空间运动馆，看台下夹层布置有消防水池、休息室、储存室等；与入口相邻空间为地下两层，地下一层层高5m，作为体育馆的门庭及展厅，通过门庭进入体育馆看台顶部，地下二层有消防水泵房等其他功能用房，层高4.8m。建筑剖面如图1。

体育馆屋顶即为室外地面，并高于室外地坪，一侧起坡作为室外风雨操场看台，另一侧逐渐放坡至室外地坪标高，并做成开有天窗的室外草皮屋面。

体育馆的结构分为主体混凝土部分和钢结构屋盖部分，本文仅对钢结构屋盖部分进行介绍。

图1 建筑剖面图

2 屋盖结构体系选型

屋盖承重采用钢桁架结构，屋面板采用压型钢板非组合楼板，板厚180mm。

屋盖钢结构主受力构件：由7榀钢桁架组成，每榀间距约4m，根据跨度和受力不同，将桁架分为2种，中间5榀跨度26m，两个端榀跨度23m，桁架两端支座分别放置于主体结构中伸出的牛腿上。根据屋面的起坡情况，每榀桁架由三个坡度段组成。钢桁架大样见图2。

图2 钢桁架大样

屋盖钢结构支撑系统：压型钢板非组合楼板在上弦平面有足够的刚度，且布置了屋面钢次梁，在纵横方向刚度很强，形成了非常强的支撑效果，故上弦平面不设置支撑；在下弦平面，布置有2道横向平面支撑、每个下弦节点处布置有通长纵向刚系杆、在桁架两个转折处布置纵向竖向支撑。下弦布置及构件选型表见图3。

图3 下弦布置及构件选型表

3 荷载取值

屋面恒荷载：

看台一侧：屋面建筑做法+看台踏步（不含结构板自重）： 4.60kN/m （垂直屋面）；

覆土一侧：覆土厚度（包括建筑做法）不大于250mm（垂直屋面厚度）；

吊挂荷载（吊于下弦节点）：1.0 kN/m

屋盖活荷载：4.0kN/m (根据建筑，不考虑汽车荷载，屋面上禁止停靠车辆)；

基本风压：0.45kN/m² (取50年一遇)，地面粗糙度为C类；

基本雪压：0.45kN/m² (取100年一遇)；

温度荷载：钢结构合拢温度取20±2℃，整体温差取升温25℃，降温-25℃；

地震作用：抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为重点设防类（乙类），

设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.20g，场地类别：Ⅲ类，

4 结构分析

采用PKPM-STS的PK进行单榀钢桁架的计算，验算构件强度、应力比、长细比，节点位移（含竖向地震作用工况），均满足规范要求；

按允许长细比进行支撑体系的构件选型，最后使用MIDAS建模进行整体复核。

各指标均满足规范要求；构件应力比见图4

图4 构件应力比

5 节点及支座设计

节点设计不仅对结构安全有重要的影响，而且直接影响钢结构的制作、安装及造价。所以节点设计是整个钢结构设计工作的重要内容。特殊节点的处理是钢结构设计的关键点之一。

本工程钢桁架构件的应力比较小，构件采用实腹式，节点形式比较简单，故对节点进行等强连接，采用坡口全熔透对接焊接，即满足规范要求。

本工程的桁架因为整体起拱，下弦不在一个水平线，桁架内部拉力无法自平衡，在两端支座处产生较大的水平推力。对此问题，我们进行了三个方面的改进：

首先，在桁架底部局部加拉杆（见图2），平衡掉很大一部分推力；

其次，支座底部抗剪键加强，使其可以承受水平推力产生的剪力；

最后，在支座与主体墙柱之间加钢垫板，待屋面看台及覆土施工全部完毕后，将垫板塞紧，与预埋板焊牢，同时参与抵抗水平推力。见图5 支座侧垫块。

图5 支座侧垫块

6 舒适度验算

本工程钢桁架跨度超过18米，根据规范要求，要进行舒适度验算，采用sap2000进行舒适度验算，结构自振频率和峰值加速度都符合高规中对舒适度的规定：

自振频率验算：考虑结构自重、恒荷载、活荷载所有质量源参与振动，考虑180厚楼板的刚度，第一振型为竖向振动，频率为4.2HZ。满足高规3.7.7条规定的楼板最小振动频率的规定。

峰值加速度计算：根据《高层建筑结构设计规范》附录A，

取 ， ，得

取

自重和恒荷载产生的支座反力为：7418kN

总面积为： ，面荷载为

取

得 0.006 远小于规范中对峰值加速度的限值（约0.2m/s2），满足要求。

7 结语

综上可知，大跨度钢桁架屋盖结构的设计需要关注的环节较多，并且用一种软件无法准确分析计算每个环节，这就要求设计者必须充分了解结构体系及受力特点，进行从拆解局部验算到整体稳定分析再到局部节点设计的多角度分步设计，最终还要利用对结构概念和规范的深刻理解，处理一些非常规的问题，最终满足工程设计要求。

参考文献

[1]丁浩民，张峥.大跨度建筑钢屋盖结构选型与设计[M].上海：同济大学出版社计，2013.

[2]黄坤耀，王益勇等.上弦为组合梁的钢桁架屋盖分析与设计.建筑结构，2005年2月.第35卷，第2期

[3]何军.惠州市某体育馆钢屋盖结构设计.建筑结构，2017年6月.第47卷，增刊