刘钝1
1 中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014
[摘要] 本文介绍了武汉某乐园大跨度钢屋盖的五种结构布置方案和屋盖结构的荷载作用。计算结果表明，拱形桁架矢高对结构的影响非常大，矢高越高对结构受力性能越有利。根据建筑平面布局，在不太影响建筑平面使用功能前提下，在钢屋盖中部增设两根间距150多米落地柱，使得结构受力性能更好，结构各项指标都能很好的满足控制要求。
[关键词] 大跨度钢屋盖 结构方案比选
1 工程概况
本项目位于湖北省武汉市，将打造华中地区首个“水主题”的体验式全室内恒温海景游乐公园。
乐园屋盖结构南北向长约400米，东西向长约242米，屋盖结构平面上呈半月形，屋盖采用超大跨度钢结构，效果图见图1。
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本项目抗震设防类别为重点设防（乙类）[1],结构安全等级为一级，地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。重现期100 年的基本风压为0.40kN/m2，地面粗糙度为B类，由于钢屋盖跨度较大，本项目需进行风洞试验以确定风荷载取值，并按照荷载规范中封闭式拱形屋面系数对比取大值。
2钢屋盖的结构组成
屋盖结构由主拱桁架、次桁架和单层网壳组成（图2）。主拱桁架由二十几榀交叉排列而成，中间主拱跨度约为252米，拱间距约30～40米，拱顶高约99米 ，采用三角形截面；次桁架为各榀主拱桁架之间的联系桁架，采用单榀水平桁架；单层网壳为主拱桁架和次桁架之间的三角形网格形成的单层空间网壳结构。主拱桁架在屋盖内弧和外弧位置两两交叉合并成一体落在下部的环状桁架上，并形成格构柱落地。主拱桁架弦杆、次桁架、环状桁架弦杆、单层网壳为连续弧形圆形钢管；所有桁架腹杆、格构柱及腹杆均为连续直线圆形钢管。
3荷载及作用
3.1 恒载和屋面活载
恒载包括结构钢构件自重和屋盖建筑覆盖层重量，其中覆盖层重量根据三种不同的建筑材料覆盖层分别计算：①三层8mm厚中空夹胶玻璃+连接龙骨构件+吊挂荷载，按1.2kN/m2考虑；②二层8mm厚中空夹胶玻璃+连接龙骨构件+吊挂荷载，按0.9kN/m2考虑；③聚碳酸脂采光屋面板+连接龙骨构件+吊挂荷载，按0.5kN/m2考虑。
屋盖按照不上人屋面设计，活荷载为0.5kN/m2，雪荷载采用100年一遇基本雪压0.6kN/m2。雪荷载与不上人屋面活荷载。
3.2风荷载
基本风压按100年一遇采用，根据荷载规范[2]，基本风压W0=0.4kN/m2 ，地面粗糙度为B类，体型系数按照刚体模型侧压风洞试验与取用，并按照荷载规范中封闭式拱形屋面系数对比取大值。
（1）钢屋盖风荷载以上吸风为主，方案设计时暂按180度风向角风荷载取用，并按有周边建筑物有高层和无高层的风荷载取包络值。
（2）由于风压的实际作用是脉动的，时正时负，设计时需要考虑Us值变号的情况，方案设计时考虑下压风：Wk=BzUsUzW0=0.25 kN/m2。
3.3温度作用
根据荷载规范武汉当地的最低初始平均温度为-5℃，最高初始平均温度为37℃，并考虑热辐射效应；钢结构合拢温度区间取为20±5℃；本工程分别按照升温30℃，降温30℃计算温度应力。
3.4地震作用
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[3]规定和武汉地震工程研究院提供的工程场地地震安全性评价报告数据，本工程地震反应分析时，结构的小震、中震和大震计算均按地震安评报告中地震参数进行计算分析。 方案设计时采用反应谱法计算小震、中震水平地震力以及竖向地震力，同时采用动力弹性时程分析进行校核。
4方案比选
本工程钢屋盖采用交叉拱桁架结构布置方式，主拱桁架交叉相交处钢构施工技术难度和制作成本比较大，只有减少钢屋盖的的主拱桁架的数量和主拱桁架交叉相交处夹角，才能减少主拱桁架交叉相交的数量。另一方面结合建筑内部景观效果，钢屋盖在外侧圆弧区域即酒店前面落地柱数量越少，对周边酒店的视觉影响越小，因此结构方案确定时在满足结构受力需要的同时，尽量减少落地柱的根数即减少主拱桁架的榀数，这样既可满足结构受力需要又能使得落地柱的数量比较少，并且屋盖部分网壳区格大小也相对比较美观。经过多轮结构方案计算分析比较钢屋盖主拱桁架榀数在22~26榀较为理想，因此选用22榀主拱桁架布置方式。在方案比选阶段，主拱桁架采用了6x7米、6.5x8米、7x9米三种不同截面高度对比分析计算，计算结果表明主拱桁架截面选用6.5x8米是综合性相对较好的选择。
五种结构方案见图2，计算结果详见表1。
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5结论
根据以上五种方案结果可知，拱形桁架矢高对结构的影响非常大，矢高越高对结构受力性能越有利。由方案五计算结果可知，交叉主拱桁架的相交夹角越小，结构受力性能越好；交叉主拱桁架的相交夹角越大，主拱桁架交叉相交部位节点钢构施工技术难度和成本相对低，屋盖的建筑美观性也相对较好，但对结构整体受力性能不利。依据乐园的平面功能布置，在不太影响建筑平面使用功能前提下，在钢屋盖中部增设两根间距150多米落地柱，使得结构受力性能更好，结构各项指标都能很好的满足控制要求，结构安全可靠度更高，结构用材更节省，同时屋盖建筑覆盖材料比较轻的方案对结构影响更有利，因此建议采用方案二中屋盖建筑覆盖材料较轻结构布置方案。
参考文献
[1] GB?50223-2008建筑工程抗震设防分类标准［S］．北京: 中国建筑工业出版社, 2010．
[2] GB50009-2012 建筑结构荷载规范［S］．北京: 中国建筑工业出版社, 2012．
[3] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］．北京: 中国建筑工业出版社, 2010．