康美(亳州)华佗国际中药城—交易中心钢结构屋面设计
康美（亳州）华佗国际中药城-交易中心钢结构屋面由外圈网架部分和中心网壳部分组成， 中心广场屋面结构形式为桁架+单层网壳的结构体系。桁架为主受力构件，形式为空间三角形管桁架，网壳为单层三向网格。对钢结构屋面进行小震弹性分析、中震弹性补充计算和线性整体稳定屈曲分析及带初始几何缺陷的非线性分析。对复杂的支座节点进行有限元分析，以确保节点安全可靠。
关键词：单层网壳 空间桁架 整体稳定 屈曲系数 非线性分析
美（亳州）华佗国际中药城-交易中心位于安徽省亳州市南部新城区。项目总建设用地面积约654135.57平方米, 总建筑面积为903583.18平方米，其中交易中心建筑面积为173656.66平方米。交易中心广场钢结构屋面由外圈网架部分和中心网壳部分组成，整体建筑平面形状为椭圆形，总面积为13825m2, 中心网壳部分屋面面积为3840㎡。
交易中心地下1层，埋置深度约5米；地上4层，主体为框架结构，高度为24.5米，屋面以上为大跨度钢结构屋盖，屋面钢结构部分与下部结构组成混合结构。钢结构屋面整体建筑平面形状为椭圆形，剖面为不等直径的圆弧。建筑要求中心屋面广场钢筋混凝土柱不能伸至屋面，整个屋面支撑在由周边屋面伸出的钢筋混凝土柱上，结构采取了比较合理的方案：从中心屋面广场伸出12根直径1.2m型钢混凝土柱,屋面分为二部分：1，中心广场屋面部分采用桁架+单层网壳，主桁架支撑在12根直径1.2m型钢混凝土柱和型钢混凝土梁上；2，外圈屋面结构形式为网架，支撑在由周边屋面伸出的钢筋混凝土柱和12根直径1.2m型钢混凝土柱上。整个屋面东西最大长度160m，南北最大宽110m，屋面顶标高44.2m,钢筋混凝土柱顶标高34.5m,屋面檐口标高37.2m. 。中心广场屋面，东西最大长度90m，南北最大宽54m。
外圈网架屋面与中心广场屋面之间通过设置金属天沟形成温度伸缩缝，把不同结构形式的2个屋面有效的结合起来，形成一个统一的屋面结构系统。外圈网架最大跨度33m，中心广场屋面主桁架沿南北方向布置，最大跨度54m，这样结构跨度减小，屋面传给下部结构的反力均匀，经济和结构上都比较合理，并且能够满足建筑要求。外圈网架屋面由专业公司设计，我公司对中心广场屋面桁架+网壳进行了重点设计，并完成与下部结构整体计算和校核。
中心广场屋面结构形式为桁架+单层网壳的结构体系。桁架为主受力构件，形式为空间倒三角形管桁架，主桁架ZHJ-01~ ZHJ-05沿Y轴向布置，共9榀，X向布置3道次桁架CHJ-01~CHJ-09，周边设置1道封口桁架CHJ-10~CHJ-14，桁架之间用小跨度的单层三向网格GL-01~GL-03连接，这样就形成了桁架+单层网壳的结构体系。其中ZHJ-02、ZHJ-04支撑于型钢混凝土柱顶，ZHJ-01、ZHJ-03及ZHJ-05支撑于型钢混凝土梁顶，如图1。型钢混凝土柱直径1.2m，型钢混凝土梁为700x1200，梁、柱顶标高均为39.0m。
主桁架ZHJ-01~ ZHJ-05,次桁架CHJ-01~CHJ-09，周边设置一道封口桁架CHJ-10~CHJ-14，采用无缝钢管，材质Q345C。使用SAP2000先进行单榀主桁架试算，初估截面见表-1。
本建筑屋面结构安全等级为一级，建筑重要性系数为1.1，正常维护下结构设计使用年限50年。下部钢筋混凝土结构先于上部结构屋面设计，下部结构使用SATWE计算，上部屋面结构在模型中用钢梁来模拟，阻尼比取0.035，待上部结构设计完成后，再导入模型中进行整体计算校核。中心广场屋面使用3D3S进行单体计算，阻尼比取0.02，根据计算结果对局部截面进行调整。经初始计算发现部分构件应力比大于1.0，特别是支座附近杆件应力比较大，因此在保证弦杆直径不变的情况下增加钢管壁厚，对支座附近3个间节范围内的腹杆截面适当放大, 对弦杆增加钢管壁厚，予以加强支座附近的杆件。经调整后的构件最大应力比出现在主桁架下弦中间段，最大应力比为0.73，次桁架最大应力比为0.78，单层网壳最大应力比为0.6，均在控制应力比范围内。桁架最大竖向位移115mm，小于规范规范限值216m。单层网壳最大竖向位移31mm，减去预起拱后竖向位移4.5mm小于规范限值27.5mm。
本屋盖结构为较为复杂的空间结构，针对主要构件还进行了中震弹性设计，水平地震影响系数最大值取0.12，其余参数取值与小震情况下一致。经计算，在重力和地震作用组合下，出现在主桁架构件最大应力比为0.75，次桁架最大应力比为0.8，单层网壳最大应力比为0.62，应力比均在规范规定范围内，并且有一定的安全储备。
选取1.0x恒载+1.0x活载及1.0x恒载+1.0x半跨活载作用下第1阶屈曲模态作为初始几何缺陷分析模态，缺陷值为跨度的1/300。1.0x恒载+1.0x活载组合作用下非线性屈曲临界荷系数8.376，1.0x恒载+1.0x半跨活载组合作用下非线性屈曲临界荷系数11.850，非线性屈曲临界荷系数最小值与第1阶线性屈曲临界荷载系数最小值一致，结构初始几何缺陷对结构的影响不明显。
为了有效地释放由温度和拱型桁架产生的水平力，桁架设置了弹性橡胶支座；为了防止支座在大震作用下滑出柱（或梁）顶，在Y向设置限位板。预埋锚筋要求满足直锚锚固长度，锚筋锚于型钢混凝土柱（或梁）内，严禁与柱（或梁）内的型钢焊接。支座如图2所示。
支座节点构造较为复杂，用钢结构规范[1]公式很难对各板件做精确的计算，采用ANSYS 有限元计算方法进行分析，确保节点安全可靠。初始设计时主管内未加套管，采用SOLID95实体单元，由Miss应力云图结果可知，最大应力出现在主管杆件相交点附近，应力大于310MPa的面积超过20%，且节点剖面内部应力也有大于310MPa的情况，主管已屈服。采取主管内加套管后，主管杆件相交点附近最大应力为246.276MPa，节点剖面内部应力均较低，此节点能够满足传力要求。图3为支座桁架相交节点有限元模型。
（1）大跨度屋面体系根据建筑要求，选择合理的结构方案，做到既能满足建筑要求，又能使结构受力合理，满足整体结构要求。
（2）对于钢混结构，先进行屋面钢结构部分单体模型分析，阻尼比取0.02；然后必须与下部钢筋混凝土结构进行整体模型组装分析，阻尼比取0.035，对整体构件进行校核。不同的结构模型应取不同的阻尼比。
（3）进行中震弹性补充计算和线性稳定性屈曲分析及带初始几何缺陷的非线性分析，分析结果表明，该钢结构屋面结构具有足够的安全度。
（4）防止在大震作用下支座滑出柱（或梁）顶，设置限位装置。
[1] GB5017-2003 钢结构设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.
[2] GB5011-2010建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.8.
[3] GB50223-2001建筑工程抗震设防分类标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.
作者简介：夏秋，1973年4月出生，男，土家族，瀚旅设计结构部工程师。
本论文发表于《城市建设理论研究》2015 年3月第9期（总第147期）
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