中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘要：盛泰名人溫泉高爾夫酒店溫泉泳浴中心是一個平面尺寸為98.5mx53.5m的橢球形殼體，殼體以短軸雙管平面桁架為主受力構(gòu)件，長軸雙管平面桁架為次受力構(gòu)件，用縱向系桿及橫向交叉支撐增加其整體性。本文以工程實例為依據(jù)，簡要介紹了大跨度橢球殼雙管平面桁架的設(shè)計要點及連接的構(gòu)造處理，對類似工程具有參考價值。
關(guān)鍵詞：大跨度、橢球殼、管桁架、管連接
一、工程概況
盛泰名人溫泉高爾夫酒店位于河北省滄州市渤海新區(qū)中捷產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是一個集會議、度假、旅游、高爾夫于一體的高標準、綜合性五星級酒店。溫泉泳浴中心是其重要組成部分，建筑外形為橢球形殼體，殼體圍護全部采用隱框玻璃幕墻，其平面尺寸為長軸98.5m、短軸53.5m，矢高21.85m，見圖1。
業(yè)主的要求是在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下盡量減少桿件，使其內(nèi)部寬敞、明亮、通透，讓賓客在泡溫泉、游泳時能充分享受室外的陽光和綠色，同時能和高爾夫球場及園區(qū)綠化融為一體。為此，橢球殼采用雙向平面管桁架結(jié)構(gòu)體系（見圖2），這種結(jié)構(gòu)形式給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。
圖1 效果圖
圖2 整體結(jié)構(gòu)圖
二、結(jié)構(gòu)選型及布置
對此類大跨度球殼常用的結(jié)構(gòu)形式為四角錐網(wǎng)殼及空間管桁架。網(wǎng)殼又有螺栓球網(wǎng)殼與焊接球網(wǎng)殼之分，螺栓球網(wǎng)殼在溫泉泳浴條件下的防腐蝕性能較差，二者桿件較多，都不滿足本工程的使用需求。網(wǎng)殼又可分為單層、雙層及三層網(wǎng)殼，顯然，本工程已超出單層網(wǎng)殼的適用范圍，雙層、三層網(wǎng)殼桿件較多，達不到通透的要求。
經(jīng)與業(yè)主多次溝通，最終采取了以短軸受力為主、長軸受力為輔的雙管平面桁架結(jié)構(gòu)形式，同時不再設(shè)置檁條系統(tǒng)，隱框玻璃幕通過連接件直接與上弦桿相連。這樣既保證了結(jié)構(gòu)的安全性，又滿足了業(yè)主所預(yù)期的桿件數(shù)量少，整體通透的效果。
橢球殼沿短軸方向設(shè)置19榀間距約6m的雙管主桁架（柱腳收于一點）和6榀單管主桁架，沿長軸方向設(shè)置11榀雙管次桁架及9道上弦系桿，為增加結(jié)構(gòu)的整體性，又沿長軸方向設(shè)置了6道橫向交叉支撐，見圖3。
另外，業(yè)主還對結(jié)構(gòu)厚度提出了要求，上下弦桿總厚度不得大于2m。為滿足此使用需求，上下弦桿中心線最大間距定為1.8m。
圖3 結(jié)構(gòu)平、立、剖面圖
三、設(shè)計荷載
恒荷載：玻璃幕（TP8+12A+TP6+1.52PVB+TP6中空鋼化LOW-E夾膠玻璃及連接件）
0.62kN/m2；下弦吊掛0.30kN/m2；結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。
屋面活荷載：0.5kN/m2（基本雪壓0.3kN/m2），考慮活荷載半跨不利布置。
基本風(fēng)壓：0.4kN/m2。
溫度作用：極端氣溫-19℃～+41℃。
地震作用：丙類、6度、第二組、0.05g、Ⅱ類場地。
四、結(jié)構(gòu)分析
此類橢球殼的特點是整體結(jié)構(gòu)由長軸中部向端部逐漸收縮，并且越接近長軸端部收縮的越快，故每榀主、次桁架的跨度、高度均不相同，這就導(dǎo)致了采用單榀計算模型無法模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，本工程采用整體分析模型，使風(fēng)荷載、側(cè)向支撐、溫度作用等均可較真實地反應(yīng)到模型上，分析更加準確，又可對用鋼量起到優(yōu)化作用，降低工程造價。本設(shè)計采用韓國通用有限元分析軟件MIDAS/GEN進行分析設(shè)計，中國建筑科學(xué)研究院PMSAP軟件進行校驗。
荷載組合按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》執(zhí)行，同時考慮溫度、地震作用。此類結(jié)構(gòu)需要注意溫度作用對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力有著較大影響，不能忽視。本工程考慮整體升溫、整體降溫兩種溫度工況，以結(jié)構(gòu)安裝完成時間為分界點，升溫幅度為+10℃～+41℃，降溫幅度為+10℃～-19℃。地震作用按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》考慮水平及豎向地震的作用。
經(jīng)過計算分析，鋼管的強度應(yīng)力較小，主要還是平面外穩(wěn)定起控制作用，考慮到玻璃分格等因素，主桁架上弦平面外計算長度通過次桁架及縱向系桿控制在3.6m以內(nèi)，下弦通過次桁架及隅撐亦控制在3.6m以內(nèi)。另外，整體結(jié)構(gòu)最大豎向撓度出現(xiàn)在橢球殼中間部位，控制在1/600以內(nèi)。
分析結(jié)果如下：
1.大部分桿件的應(yīng)力比：強度0.3～0.6，平面內(nèi)穩(wěn)定0.4～0.8，平面外穩(wěn)定0.4～0.9；
2.最大豎向撓度：恒載52.15mm（1/1026）、活載23.43mm（1/2283）；
3.最大水平位移：橫向風(fēng)載29.8mm、橫向地震18.9mm。
五、地基基礎(chǔ)
本工程場地土層承載力低、壓縮性高，需進行地基處理。根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，采用預(yù)制混凝土方樁進行地基處理，方樁直徑200mmx200mm，在基礎(chǔ)平面內(nèi)矩形布樁，樁距1100mmx1025mm，褥墊層采用250mm厚級配砂石，處理后的復(fù)合地基承載力經(jīng)現(xiàn)場載荷試驗?zāi)苓_到220Kpa的設(shè)計要求。
本工程因地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性、對鋼筋具有微腐蝕性，所以對基礎(chǔ)、基礎(chǔ)連梁及地面以下混凝土結(jié)構(gòu)表面采用涂環(huán)氧瀝青厚漿型涂料兩遍，以解決地下水對混凝土及鋼筋的腐蝕問題。
此類拱殼結(jié)構(gòu)的落地柱腳水平剪力較大、軸力較小，所以基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)以抵抗水平剪力產(chǎn)生的傾覆彎矩為主。綜合考慮各種因素，本工程最終采用了獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)平面尺寸隨主桁架跨度及高度的變化而不同，基礎(chǔ)埋深2.2米，基礎(chǔ)頂部沿橢圓周設(shè)混凝土連梁。基礎(chǔ)最大平面尺寸為7.0mX4.6m，基底反力最大191Kpa、最小10Kpa，基礎(chǔ)頂部預(yù)留抗剪槽，見圖4。
圖4 獨立基礎(chǔ)
六、材質(zhì)與截面
管桁架上、下弦桿間高度受業(yè)主使用需求的限制，需控制在2m以內(nèi)，為使設(shè)計更加經(jīng)濟合理，管桁架材質(zhì)均采用Q345B。鋼管可根據(jù)當?shù)貙嶋H情況及工程造價，由施工方選擇高頻焊接鋼管或熱軋無縫鋼管。
主桁架與次桁架弦桿的管徑保持不變，壁厚根據(jù)內(nèi)力的大小逐漸變化，但盡量少設(shè)接頭。鋼管接頭可根據(jù)壁厚分別選擇等厚連接和不等厚連接，兩種連接均采用內(nèi)襯管方式（見圖9、圖10）。桁架腹桿長度都在2.4m以內(nèi)，所以管徑和壁厚都保持不變。橫向交叉支撐采用直徑35mm的圓鋼拉索，為只受拉單元。截面規(guī)格見表1。
圖5 橢球殼中部構(gòu)件圖
表1 桁架跨度及截面
七、連接構(gòu)造
主桁架弦桿貫通，腹桿及次桁架弦桿等相貫焊接在主桁架弦桿上，鋼管的相貫面采用五維或六維相貫線自動切割機切割，切成帶變化剖口并與主管外表面完全吻合的空間曲線形狀，然后焊接?！?a href="http://www.justbipassistance.com/index.php?m=content&c=index&a=lists&catid=58" target="_blank" class="keylink">鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》給出了相貫鋼管之間的承載力計算公式，但目前國內(nèi)外對相貫處管壁的局部強度研究依然不夠十分成熟，尤其是受力較大的部位，僅憑計算結(jié)果很難用于實際工程，設(shè)計上通常采用加強套管或加強板來加強局部壁厚，以解決管壁局部受力較大的問題。
本工程除按規(guī)范公式驗算承載力外，更主要的是采取加強套管的方式來加強主桁架與次桁架等連接節(jié)點，從構(gòu)造上對重要節(jié)點予以加強。為保證加強套管與主管連接牢固，在加強套管中部間隔100mm、開d=20mm的孔與主管塞焊，焊后磨平，見圖6。
圖6 加強套管節(jié)點
橫向交叉支撐采用直徑35mm的圓鋼拉索（不銹鋼），與主次桁架上弦相連，拉索自帶張緊裝置，見圖7、圖8。
圖7 交叉支撐與弦桿連接
圖8 交叉支撐與柱腳連接
鋼管間拼接采用內(nèi)襯管的方式，開坡口全熔透等強連接，見圖9、圖10。
圖9 等厚連接
圖10 不等厚連接
雙管主桁架柱腳采用半球節(jié)點，上下弦桿與半球相貫連接，半球通過錨栓與基礎(chǔ)相連，半球內(nèi)設(shè)米字形加勁肋，半球及肋板厚均取30mm，見圖11、圖12。
圖11 柱腳平面
圖12 柱腳剖面
玻璃幕墻采用TP8+12A+TP6+1.52PVB+TP6中空鋼化LOW-E夾膠玻璃，玻璃通過鋁合金型材及鋼管連接件與上弦相連，鋁合金型材及鋼管表面均進行氟碳噴涂處理，連接節(jié)點見圖13。
圖13 玻璃幕與上弦連接
八、防腐蝕設(shè)計
溫泉泳浴條件下鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝是個應(yīng)引起重視的問題，此種條件下鋼構(gòu)件的腐蝕速率較快，如果防腐蝕措施采取不當，結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性都將大大折扣。本工程采取對構(gòu)件徹底除銹并噴涂氟碳面漆的措施來解決溫泉泳浴條件下的防腐問題。具體做法如下：鋼構(gòu)件均進行拋丸（噴砂）除銹處理，修補時采用手工機械除銹，除銹等級達到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》 (GB8923-88)中Sa3級和St3級的要求，所有鋼管構(gòu)件外露端均設(shè)封頭板，并采用連續(xù)焊縫密閉，使內(nèi)外空氣隔絕。涂裝要求見表2。
表2 防腐蝕涂裝要求
九、結(jié)語
1.本工程于2011年5月完工，其整體效果達到業(yè)主預(yù)期設(shè)想，成為當?shù)貥酥拘越ㄖ?br />
2.本文根據(jù)工程實例，對大型橢球殼雙管平面桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計做了簡要介紹，從本例及近些年的工程實際中可以得出雙管平面桁架特別適合于大跨度、整體結(jié)構(gòu)簡潔通透、耐腐蝕性要求較高的大型公共建筑，如溫泉泳浴廣場、車站、航站樓等。
主 要 參 考 文 獻
1. 尹敏達、張躍峰、弓曉蕓等.《輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋新技術(shù)與新產(chǎn)品的應(yīng)用》，北京.中國建筑工業(yè)出版社.2011
2. 李星榮、魏才昂、丁峙?、李和華.《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊》（第二版），北京.中國建筑工業(yè)出版社.2009
3. 中國建筑科學(xué)研究院.《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001），北京.中國建筑工業(yè)出版社.2002
4. 北京鋼鐵設(shè)計研究總院.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003），北京.中國計劃出版社.2003
作者簡介：
王六合 男，1979年11月出生，2004年7月畢業(yè)于吉林建筑工程學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，工程師。在圣帝國際建筑工程設(shè)計有限公司鋼結(jié)構(gòu)所從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。
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