M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析

陈露

中衡设计集团股份有限公司苏州215021

摘要:本文对M形空间钢桁架屋盖进行了结构方案设计，分别在结构①面和②面设计采光面，提出了两种结构方案。采用Midas/Gen软件对两种结构方案进行了有限元分析，得出了主要受力构件的应力-应变状态，计算结果显示两种方案应力比均满足要求，截面较小的方案通过起拱挠度满足要求。随后本文对支座连接进行了初步设计，为同类工程改造设计提供了参考。

关键词:多折屋盖，方案设计，有限元分析，支座连接

Abstract:Inthispaper,thestructuraldesignoftheM-shapedspacesteeltrussroofispresented.Twostructuralschemesareproposedrespectivelyonfrontandbacklightingsurface.ByusingfiniteelementanalysissoftwareMidas/Gen,thepaperfiguresoutthemainstresscomponents’stress-strainstateoftwoschemes.Thecalculationresultsshowthatthetwoschemescansatisfytherequirementofstressratio,andthesmallersectionmeetstherequirementsthrougharchingdeflections.Afterthat,thispapergivesapreliminarydesignofthesupportconnection,whichprovidesareferenceforthedesignofsimilarprojects.

Keywords:multiple-foldingroof,conceptualdesign,finiteelementanalysis，jointsofsupport

0项目概述

随着经济的发展和科学技术的不断进步，人们对结构的空间和跨度的要求越来越高。钢管桁架结构作为一种典型的空间结构体系，其自身截面特性良好，具有承载性能高、造型美观、外型简洁、流畅、节点形式简单、施工简单、节省材料等特点，因此在建筑结构，尤其是大跨度空间结构中得到了广泛的应用。本文采用M形空间钢管桁架进行了屋盖结构方案设计，并采用Midas/Gen软件对其进行了有限元分析。

在某学校改扩建项目中，少年科学馆是其标志建筑，集学习、参观、展示、交流于一体的综合空间。其中庭顶部设计一双坡多折钢屋盖，该部位作为室内空间向室外中庭的延续，使用了大片天窗幕墙，营造轻盈通透的感觉。这就要求不能有多余的结构构件，普通的平面和空间钢桁架显然不能满足美观要求。现拟充分利用现有的M形造型来设计异形空间钢桁架，力求做到建筑与结构完美结合，对结构方案进行比选和探讨。建筑设计示意图及屋盖效果图如图1、图2所示，平面布置图如图3所示。

图4屋盖立面图

方案二示意图如图7所示，其中②面为玻璃幕墙采光面，主要杆件尺寸见表2，方案二的总用钢量为21.8吨。

2主要结果分析

MIDAS/Gen是一款建筑结构通用有限元分析和设计软件，适用于各类结构的分析与设计如：钢筋混凝土结构、钢结构、空间大跨结构、组合结构、网架及索缆结构等工业与民用建筑。可进行静力、动力弹塑性分析、预应力分析、施工阶段分析、反应谱分析、非线性分析、时程分析及钢结构优化，可以导入PKPM、AutoCAD、SAP2000等文件，便于互相校核[2]。因此本文采用Midas/Gen计算软件对两种屋盖方案进行计算。

经计算方案一的挠度和各组合工况最大应力比计算结果如图8、图9所示，最大变形约55mm，其中DZ方向为48mm，对应的荷载工况为1.0恒+1.0雪，满足限值要求（L/400）；最大应力比为0.877，满足要求（应力比限值取0.9）[3]。

图10方案二挠度

图13A处参考连接形式图14B处参考连接形式

其中B处弦杆连接采用铰接连接（或沿桁架跨度DX方向可采用长圆孔释放，仅约束DY和DZ方向）[5]。连接形式如图14所示，桁架弦杆需要搁置在主体结构混凝土梁或柱的牛腿上。

两处的支座设计保证连接部位可以有效的传递应力，使上部屋盖具有可靠的强度和稳定性，并且施工合理方便。

6结论

(1)结构的屋盖设计应根据建筑要求，考虑结构安全、施工合理及经济性，从而合理选择屋盖的结构形式。利用MIDAS软件对屋盖进行对比分析，分析结果显示方案一的最大应力比为0.877，方案二的最大应力比为0.825，两个结构方案均能满足承载力和变形要求，其中结构方案二杆件尺寸更小，玻璃幕墙采光面的通透性也更好，用钢量更省，也更为接近效果图，因此方案二是更优设计。

(2)论文随后讨论了屋面结构与主体结构的连接支座设计，保证了上部屋盖的强度和稳定性，为同类工程改造设计提供了参考。

参考文献:

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

[2]宋晓红,徐瑞,景辉,李令.乌兰察布城展馆结构设计[J].建筑结构,2015,45(03):87-92.

[3]钢结构设计规范:GB50017-2003[S].北京：中国计划出版社,2003.

[4]罗尧治,娄荣,刘海峰.空间钢结构临时支撑布置的应变能跟踪算法[J].浙江大学学报(工学版),2010,44(12):2332-2336.

[5]苗吉军,侯晓燕,王典武,刘延春,白小军.大跨度异形钢桁架安装过程试验研究及实时监控[J].建筑结构,2013,43(06):22-27.