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1、钢结构工程研究 钢结构 2014 增刊悬挑桁架在体育场罩棚结构中应用的几个 问题研究李天来佳雯徐传光(郑州大学土木 J二程学院，郑州 4500001)提要：体育场罩棚结构中常常采用管桁架悬挑结构。当结构规模较大，构件较多，在结构设计中的截面 选择就较困难。本文针对该类结构的设计选型、设计中的关键问题进行了分析，指出简化分析的可行性。 通过对于关键节点的分析，指出对于节点分析的必要性。 关键词：钢管结构；悬臂桁架；体育场罩棚；节点分析1引言近年来，由于建筑技术和相关领域不断进步，科技技术水平的不断进步和发展，大型 商场、影视剧院、体育场馆、会展中心、机场车站等很多大型建筑都运用了形态各异的大 跨
2、度空间钢结构体系，而作为大跨空间结构的一部分 空间管桁架结构，也被广泛应用到各项工程中 IlJ。对于悬臂桁架结构的受力性能国内外学者都进行了一定的研究，提出了 一些有益的结论，近些年我国的 钢管结构技术规程 (CECS 280： 2010) 颁布，无疑对 于该类结构的发展具有巨大的推动作用。但由于实际工程的特殊性，在工程实践中，对于 实际结构的设计和分析中，仍然有许多问题需要进一步的深入。本文以某实际工程的体育场罩棚结构为背景，针对该工程罩棚中所选用的悬臂钢管桁 架结构体系，主要对丁结构分析模型，荷载取值，节点受力分析进行了研究，为实际工程 的应用提供参考。2工程概况本文研究对象结构为河南省某
3、市体育场罩棚工程，体育场总建筑面积约 38100mm2 。该 体育场设有东西两个看台 (图 1)，两个看台上均设有罩棚，罩棚分为东西两个部分，两 个罩棚均南北对称。体育场总建筑面积约 38100mm2 ，其中西罩棚稍大，见图 2(a)，面积 约 7550 ITlln2，东罩棚面积约 6500 mm2。所有弦杆、支承杆材质均为 Q345B ，桁架腹杆及榀间连接杆为 Q235B。该工程所用杆件均为圆管截面杆件，桁架截面为倒三角形，弦杆连 续，腹杆与弦杆相贯焊接，其相贯顺序参照钢管结构技术规程的相关要求进行。在该体育 场的罩棚结构的设计中，组成罩棚的桁架主要有两种，一是两支腿桁架，另一是三支腿桁56
4、5钢结构工程研究 钢结构 2014 增刊架，图 1体育场罩棚设置(a) (b) 鼷嗲磊笺(c)西 东图 2罩棚结构布置为深入了解悬臂空间钢桁架结构的受力性能，全面分析该类结构的受力特点，同时考 虑到悬臂空间钢桁架结构的风敏感效应，本文以西罩棚为研究对象，首先按荷载规范对该 罩棚的静力进行受荷分析。考虑的荷载有：屋面恒载：按建筑设计的屋面材料进行选择， 根据实际情况，取 0 4KN m2。雪荷载：按照 50年一遇，基本雪压取 0 40KN m2。活荷载： 取为 0 5KN m2。风荷载：按照 100年一遇，基本风压取 0 45KN m2。风荷载的高度系数根 据实际标高，按荷载规范取值。体型系数按
5、荷载规范，同时参照相关资料取值 【2 儿川。通过对于该工程的罩棚结构进行计算分析多次反复对比设计选定各榀桁架的杆件截 面、经验算结构满足钢结构设计规范的要求。3几个问题1)计算模型由于该罩棚的建筑设计在各个桁架的支腿标高上设计成不一样的标高，各榀桁架并不 相互平行，同时由于下部混凝土结构的布置，各榀桁架的间距也不完全相等。因此，造成 了对于该罩棚结构分析的复杂性。然而，进一步通过对该大型体育场罩棚管桁架结构的布 置分析，虽各榀桁架并不平行，但两两桁架之间接近于相互平行，桁架之间的间距也接近 相等，各榀桁架之间的相对标高相差也不大。各榀桁架之间虽然有纵向桁架联系形成纵向566钢结构工程研究 钢结
6、构 2014 增刊整体，但在桁架的竖向约束并不强。为了便于工程参考，和类似工程的简化分析，在对于 整个桁架建模分析的基础上，也对于该工程的罩棚进行了简化对比分析。根据在整体分析 中，对受力最大的一榀桁架进行内力提取，为了比较，对该桁架进行单独分析，同时作为 比较，也同时取该桁架包含相邻两榀桁架的计算模型，这里分别称之为整体模型、单榀模 型和三榀模型，单榀和三榀模型见图 3。本文选用计算模型，支腿间距 6000mm ，外悬挑 32700mm 。三角形桁架高度为 4000mm 。孵一 (a) (b)图 3单榀模型和三榀对比模型最大位移：通过分析可得到，悬臂端部节点的位移最大。计算在自重下整体模型、
7、单 榀模型和三榀模型的最大位移分别： 32 51mm， 35 05 mln ， 36 89 mill，最大位移为按三榀 计算的模型。这是由于三榀模型计算时，考虑了端部纵向桁架，结构自重增加而桁架实际没有空间相互作用，所以就使得按三榀模型计算时，自重下的位移更大。但总的位移相差 不大约 12，绝对值较小。当考虑风荷载工况 (考虑自重 )时，相应三种模型的最大位移 分别为： 73 63mm， 92 37mm， 86 45mm。从计算风荷载结果可见，单榀模型的风荷载位移 为最大，而整体模型最小，这与计算模型三的自重位移大，同时，三榀桁架在风荷载作用 下具有一定的相关性，因此位移偏小。从计算结果可以看
8、出，无论是自重荷载还是风荷载， 如果按单榀计算模型进行位移计算，总的来说是偏于保守的，在单荷载工况下相差较大， 最大达 20，而在多工况组合情况下相差会减小。最大内力：对于本文所设计的具有两支腿的三角桁架，最大内力为支腿杆和下线杆。 分析对比三榀模型计算可见，分别按整体模型、单榀模型和三榀模型的支腿最大内力为 1277 2kN ， 1535 16kN ，一 1438 65 kN，而下弦杆的内力分别为：-11025 kN，一 1314 36kN， 1289 77 kN。可见按单榀模型计算最大支腿内力增大 16，而按三榀模型计算增大约 11。 所以从内力计算来说，按单榀模型计算也偏于保守。但由于按
9、简化模型计算可以较大简化 计算建模，可以较快选择截面，所以对于工程设计来说是有利的。2)计算荷载我国现行建筑结构荷载规范 【4】 指出：当计算主要承重结构时，垂直于建筑物表面上的 风荷载标准值应按照下列公式计算：wk=屈熊以 w0 (1)其中高度系数 ：，体型系数 。按荷载规范取值。 基本风压 WO：本文研究对象体育场罩棚结构，该结构为大悬臂桁架结构，对于风荷载具有一定的敏感性。在我国荷载规范中指出，基本风压应采用按本规范规定的方法确定的钢结构工程研究 钢结构 2014 增刊50年重现期的风压，对于高层建筑、高耸结构以及对凤荷载比较敏感的其他结构，基本风 压的取值应适当提高，并应符合有关结构设
10、计规范的规定。因此在进行风荷载计算中，采 用了 100年重现期的风压。风振系数皮：在荷载规范中，对于风敏感的或跨度大于 36m的柔性屋盖结构，应考虑 风压脉动对结构产生风振的影响。屋盖结构的风振响应，宜依据风洞试验结果按随机振动 理论计算确定。由于一般中小工程均没有进行风洞试验，所以完全按照荷载规范就无法进行设计。本文参照荷载规范建议的计算方法，按下式计算： 屈： 1+2幽。 Sz而(2)对于整体结构计算的第一自振频率为 2 369Hz，计算可得风振系数为 1 53。3)关键节点为了进一步分析罩棚结构的受力性能，除对于桁架结构进行分析外，还需要对桁架节 点进行分析。在 钢管结构技术规程 中对于
11、管桁架结构的相贯节点给出了一些计算方法，但对于 管桁架当节点较复杂时，或者相关的集合条件不符合该规程的相贯规定，就无法进行计算。 在本文分析的关桁架结构中，一些节点的连接形式与规程是不相符的，特别是有的受力较 大的节点。所以，需要对一些较复杂的节点进行专门的研究。图 4关键节点计算横亘N 蒌兰 U。歹568钢结构工程研究 钢结构 2014 增刊在本文所分析的桁架结构中，在下弦与支腿连接的节点受力最大，而该节点也不符合 钢管结构技术规程中节点类型，本文以此节点为例，对该节点进行了专门的有限元分析。 对于该节点的计算，直接以对该桁架整体分析中的计算节点几何参数、内力进行提取，该 节点最不利的受力状
12、态。同时为了保证在该节点分析中，内力与整体分析的一致性，选择 计算见图如图 4。当各个杆件作用设计荷载时， Yon Mises等效应力云图如图 5。由该云图 可以看出，在桁架下弦杆的侧壁壁处已经部分区域进入塑性，在弦杆与腹杆交接处，即腹 杆根部靠近焊缝区也有少量进入塑性，说明该节点的侧壁以及在腹杆与弦杆的连接区域需 要加强。通过对弦杆设置加强环、以及对于腹杆设置肋板可以降低节点处的应力。4主要结论本文以某实际工程为例，对于体育场罩棚结构采用钢管桁架在设计中的相关问题进行 了研究，得到一些有益的结论：1)对于空间较复杂的桁架结构，当桁架各榀联系相对较弱的情况下，可以通过概念分 析，选择具有控制作
13、用的桁架进行分析，作为设计中选择截面的参考。这样可以简化设计 过程，较快、合理地选择截面，结果一般是偏于保守的，但在设计简化中应当注意边界条件的不同。2)对于大悬臂结构的风振计算，虽在荷载规范中有所建议，但在实际计算中还是较难 准确把握。3)对于管桁架节点的设计不容忽视，特别是对于受力较复杂的节点。参考文献 1】 郭天焓，张猛，朱炳寅立体钢桁架在长悬臂结构中的应用 【J】 建筑结构， 2011， 41(3)： 232236 2】 周平槐，杨学林三门金鳞体育中心主体育场罩棚抗风设计 【J】 建筑结构， 2012， 42(8)： 2732 3】 郑奉川大型体育场看台罩棚抗风研究 M】 【 硕士学位
14、论文 】 北京：北京交通大学， 2009 4】 中华人民共和国住房与城乡建设部 建筑结构荷载规范 (GB50009 2012)【z 北京：中国建筑工业 出版社， 2012Study on Several problems of Cantilever truss at thestadium covering structureLi Tian Lai Jia Weng Xu Chuang Guang(School ofCifil Engineering ， Zheng Zhou University,450001)Abstract ： The cantilever pipe truss struc
15、tures are often adopted in stadium covering structure v讯 -hen the structure is larger,component is more， it is more difficult to cross section selection in structural design Based on the design and selection of the structure design is analyzed， the key issues in pointed out the feasibility of the simplified analysis Through the analysis of for key nodes ， the necessity of analysis for the pipe structure node are pointed outKey words ： steel pipe structure cantilever truss stadium covering structure noda
