某乐园建筑大跨度三角桁架结构设计（1）

对于大跨度屋面钢结构，常用的结构形式有平面桁架结构、网架结构等，优点是工程应用较多，结构软件也有相应的建模模块，可以方便建模；但缺点是杆件较多，有时会影响建筑功能的使用。相对来说，三角桁架结构杆件较少，每榀桁架有一定的侧向刚度。当建筑对屋面采光有需求时三角桁架结构可以是一个合理的选择。

白浪滩·梦幻水城项目位于防城港市白浪滩，是一座占地4.2万m ² 的大型乐园建筑。人鱼王国为其中一个综合娱乐建筑单体。建筑平面长90?m，宽60?m，高25?m；建筑里面有造浪池、滑道、漂流河等娱乐设施。建筑内部除了局部2层建筑，基本为一个大空间结构。

人鱼王国屋面以下采用框架结构，基础为桩加承台形式。人鱼王国屋面跨度60?m，建筑对屋面采光有特殊要求，需要一个通透的屋顶。因此人鱼王国选取三角桁架为屋面钢结构形式。和普通平面桁架相比，三角桁架支座受力更大也更复杂，结构整体分析前，支座方案对结构内力有较大影响，支座节点应力分布复杂。

1?人鱼王国屋面结构设计条件

（1）人鱼王国屋面基本结构设计条件见表1。

表1?人鱼王国屋面基本设计条件

（2）屋面材料。屋面板分透光区域和不透光区域，透光区域采用阳光板+遮阳卷帘，不透光区域用铝镁锰板，如图1所示。

（3）主要设计荷载。1）钢构件自重；2）阳光板+ 遮阳卷帘，0.10?kN/m ² ；3）铝镁锰板，0.3?kN/m ² ；4）风荷载；5）地震荷载；6）温度荷载，按升、降温各15?℃输入；7）屋面设备重量；8）下弦悬挂荷载0.15?kN/m ² ；9）马道荷载。

（4）钢材选用。人鱼王国钢桁架采用圆钢管，材质选用Q345B，拉索采用Q345B及圆拉索。

图1?屋面板材料

2?结构方案分析对比

对于屋面结构，建筑要求有一个通透的屋面，屋面材料选用透明且带有一定保温效果的阳光板，阳光板下挂有能自动控制的遮阳卷帘。因此，建筑要求屋面结构尽量简洁，没有过多的结构杆件。结构考虑2种方案选择，方案一是平面桁架结构（图2），方案二是三角桁架结构（图3）。

图2?平面桁架结构         图3?三角桁架结构

方案一平面桁架是很常见的一种结构形式。人鱼王国纵方向柱距13.7?m，经试算，在合理的截面选择下，在柱位置及柱中间均需布置一榀桁架。同时为保证桁架平面外的稳定，平面外每隔10?m也需布置 1道纵向桁架或系杆。这种结构形式具有较多的结构杆件，与建筑理念不相符。

方案二中，每榀三角桁架是由2根上弦杆，1根下弦杆和中间的腹杆组成。与平面桁架最大的不同是上弦平面，2根上弦杆和中间腹杆组成平面外的桁架，保证桁架在平面外也有一定的刚度。

三角桁架结构透光区域较大，空间相对开阔，满足建筑理念要求。因此人鱼王国的屋面结构选择了三角桁架的方案。

3?结构模型建立

在人鱼王国结构计算时，需要做一些复杂的结构分析，如支座分析对比、索单元分析等。结构选用midas Gen三维结构计算软件。midas Gen是通用的空间有限元结构分析与设计系统，能进行一般的静力、动力分析，还可以进行施工阶段分析、静力弹塑性分析等复杂计算。

屋面钢结构midas Gen的整体模型如图4所示。

图4?人鱼王国屋面钢结构midas Gen模型

在midas Gen模型中，可以采用“面风压”的方式进行导荷。考虑建筑迎风面和背风面有不同的体型系数，风荷载建立了4个荷载工况，分别是Wx左风、Wx右风、Wy前风、Wy后风。

4?支座分析对比

对于大跨屋面钢结构的支座形式，一般采用成品铰支座。成品铰支座分2种，一种是固定型铰支座，另外一种是弹性铰支座。

固定型铰支座在 x 向、 y 向、 z 向3个方向被约束没有位移，转角方向允许有位移；而弹性铰支座在 x 向、 y 向2个方向及转角方向允许有变形， z 方向限制变形。2种支座构造如图5所示。

（a）

（b）

图5?2种支座构造示意

（a）固定型抗拔球铰支座；（b）弹性铰支座

将同一模型（初步模型）分别设置2种不同支座进行分析对比，抽取其中A点、B点，以及中间 1个区域，对比节点变形和应力比，如图6所示。

图6?对比区域

固定铰支座设置比较简单，在柱顶位置设置1个边界条件，释放柱顶弯矩；而弹性铰支座相当于在柱顶位置增加1个水平方向弹簧，弹簧刚度为3?kN/mm。

固定铰支座和弹性支座边界条件设置如图7所示。

图7?固定铰支座（左）和弹性支座（右）边界条件

经分析计算，2个模型在Wy工况下位移结果如图8所示。

（a）

（b）

图8?节点位移结果

（ a ）固定型铰支座；（b）弹性支座

通过不同支座的结果对比，得出以下结论。

（1）在弹性支座下，混凝土柱顶节点与钢桁架支座节点之间有1个位移差，符合弹性支座允许有一定位移这个设定。

（2）在风荷载Wy作用下，柱顶位移大小如下：Dy弹性A点 > Dy固定A点 > Dy固定B点 > Dy弹性B点。这说明弹性支座下A柱配筋是最大的；如果是Wy作用下，则B柱配筋变成最大。

（3）弹性支座下，钢屋架的应力比有所增大，用钢量会加大。

综合以上分析，弹性支座下柱配筋会有增加；而且弹性支座下钢屋架用钢量加大；从成本上考虑，弹性支座比固定支座成本高；所以本单体支座选用固定铰支座。