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摘要：盛泰名人溫泉高爾夫酒店溫泉泳浴中心是一個(gè)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件，長(cháng)軸雙管平面桁架為次受力構件，用縱向系桿及橫向交叉支撐增加其整體性。本文以工程實(shí)例為依據，簡(jiǎn)要介紹了大跨度橢球殼雙管平面桁架的設計要點(diǎn)及連接的構造處理，對類(lèi)似工程具有參考價(jià)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中捷產(chǎn)業(yè)園區，是一個(gè)集會(huì )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(cháng)軸98.5m、短軸53.5m，矢高21.85m，見(jiàn)圖1。
      業(yè)主的要求是在保證結構安全穩定的前提下盡量減少桿件，使其內部寬敞、明亮、通透，讓賓客在泡溫泉、游泳時(shí)能充分享受室外的陽(yáng)光和綠色，同時(shí)能和高爾夫球場(chǎng)及園區綠化融為一體。為此，橢球殼采用雙向平面管桁架結構體系（見(jiàn)圖2），這種結構形式給結構設計帶來(lái)了很大的挑戰。

 
圖1  效果圖




圖2  整體結構圖
 

二、結構選型及布置
      對此類(lèi)大跨度球殼常用的結構形式為四角錐網(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(mǎn)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(cháng)軸受力為輔的雙管平面桁架結構形式，同時(shí)不再設置檁條系統，隱框玻璃幕通過(guò)連接件直接與上弦桿相連。這樣既保證了結構的安全性，又滿(mǎn)足了業(yè)主所預期的桿件數量少，整體通透的效果。
      橢球殼沿短軸方向設置19榀間距約6m的雙管主桁架（柱腳收于一點(diǎn)）和6榀單管主桁架，沿長(cháng)軸方向設置11榀雙管次桁架及9道上弦系桿，為增加結構的整體性，又沿長(cháng)軸方向設置了6道橫向交叉支撐，見(jiàn)圖3。
      另外，業(yè)主還對結構厚度提出了要求，上下弦桿總厚度不得大于2m。為滿(mǎn)足此使用需求，上下弦桿中心線(xiàn)最大間距定為1.8m。

 
圖3  結構平、立、剖面圖

三、設計荷載
      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；結構自重由程序自動(dòng)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(lèi)、6度、第二組、0.05g、Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

四、結構分析
      此類(lèi)橢球殼的特點(diǎn)是整體結構由長(cháng)軸中部向端部逐漸收縮，并且越接近長(cháng)軸端部收縮的越快，故每榀主、次桁架的跨度、高度均不相同，這就導致了采用單榀計算模型無(wú)法模擬結構的實(shí)際受力狀況，本工程采用整體分析模型，使風(fēng)荷載、側向支撐、溫度作用等均可較真實(shí)地反應到模型上，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(jià)。本設計采用韓國通用有限元分析軟件MIDAS/GEN進(jìn)行分析設計，中國建筑科學(xué)研究院PMSAP軟件進(jìn)行校驗。
荷載組合按《建筑結構荷載規范》執行，同時(shí)考慮溫度、地震作用。此類(lèi)結構需要注意溫度作用對結構的應力有著(zhù)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，以結構安裝完成時(shí)間為分界點(diǎn)，升溫幅度為+10℃～+41℃，降溫幅度為+10℃～-19℃。地震作用按《建筑抗震設計規范》考慮水平及豎向地震的作用。
經(jīng)過(guò)計算分析，鋼管的強度應力較小，主要還是平面外穩定起控制作用，考慮到玻璃分格等因素，主桁架上弦平面外計算長(cháng)度通過(guò)次桁架及縱向系桿控制在3.6m以?xún)?，下弦通過(guò)次桁架及隅撐亦控制在3.6m以?xún)?。另外，整體結構最大豎向撓度出現在橢球殼中間部位，控制在1/600以?xún)取?br /> 分析結果如下：
      1.大部分桿件的應力比：強度0.3～0.6，平面內穩定0.4～0.8，平面外穩定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
      本工程場(chǎng)地土層承載力低、壓縮性高，需進(jìn)行地基處理。根據當地實(shí)際情況，采用預制混凝土方樁進(jìn)行地基處理，方樁直徑200mmx200mm，在基礎平面內矩形布樁，樁距1100mmx1025mm，褥墊層采用250mm厚級配砂石，處理后的復合地基承載力經(jīng)現場(chǎng)載荷試驗能達到220Kpa的設計要求。
      本工程因地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性、對鋼筋具有微腐蝕性，所以對基礎、基礎連梁及地面以下混凝土結構表面采用涂環(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(wèn)題。
      此類(lèi)拱殼結構的落地柱腳水平剪力較大、軸力較小，所以基礎設計應以抵抗水平剪力產(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，基礎平面尺寸隨主桁架跨度及高度的變化而不同，基礎埋深2.2米，基礎頂部沿橢圓周設混凝土連梁?；A最大平面尺寸為7.0mX4.6m，基底反力最大191Kpa、最小10Kpa，基礎頂部預留抗剪槽，見(jiàn)圖4。

 
圖4  獨立基礎

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?xún)?，為使設計更加經(jīng)濟合理，管桁架材質(zhì)均采用Q345B。鋼管可根據當地實(shí)際情況及工程造價(jià)，由施工方選擇高頻焊接鋼管或熱軋無(wú)縫鋼管。
      主桁架與次桁架弦桿的管徑保持不變，壁厚根據內力的大小逐漸變化，但盡量少設接頭。鋼管接頭可根據壁厚分別選擇等厚連接和不等厚連接，兩種連接均采用內襯管方式（見(jiàn)圖9、圖10）。桁架腹桿長(cháng)度都在2.4m以?xún)?，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。截面規格見(jiàn)表1。

圖5  橢球殼中部構件圖 

表1 桁架跨度及截面

七、連接構造
      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(xiàn)自動(dòng)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(xiàn)形狀，然后焊接?！?a href="http://www.canada-viagra.com/index.php?m=content&c=index&a=lists&catid=58" target="_blank" class="keylink">鋼結構設計規范》給出了相貫鋼管之間的承載力計算公式，但目前國內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，僅憑計算結果很難用于實(shí)際工程，設計上通常采用加強套管或加強板來(lái)加強局部壁厚，以解決管壁局部受力較大的問(wèn)題。
本工程除按規范公式驗算承載力外，更主要的是采取加強套管的方式來(lái)加強主桁架與次桁架等連接節點(diǎn)，從構造上對重要節點(diǎn)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(kāi)d=20mm的孔與主管塞焊，焊后磨平，見(jiàn)圖6。

 
圖6  加強套管節點(diǎn)

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(jiàn)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

鋼管間拼接采用內襯管的方式，開(kāi)坡口全熔透等強連接，見(jiàn)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點(diǎn)，上下弦桿與半球相貫連接，半球通過(guò)錨栓與基礎相連，半球內設米字形加勁肋，半球及肋板厚均取30mm，見(jiàn)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(guò)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(jìn)行氟碳噴涂處理，連接節點(diǎn)見(jiàn)圖13。

 
圖13  玻璃幕與上弦連接

八、防腐蝕設計
      溫泉泳浴條件下鋼結構的防腐涂裝是個(gè)應引起重視的問(wèn)題，此種條件下鋼構件的腐蝕速率較快，如果防腐蝕措施采取不當，結構的安全性、耐久性都將大大折扣。本工程采取對構件徹底除銹并噴涂氟碳面漆的措施來(lái)解決溫泉泳浴條件下的防腐問(wèn)題。具體做法如下：鋼構件均進(jìn)行拋丸（噴砂）除銹處理，修補時(shí)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，所有鋼管構件外露端均設封頭板，并采用連續焊縫密閉，使內外空氣隔絕。涂裝要求見(jiàn)表2。
 

表2 防腐蝕涂裝要求

      九、結語(yǔ)
      1.本工程于2011年5月完工，其整體效果達到業(yè)主預期設想，成為當地標志性建筑。
      2.本文根據工程實(shí)例，對大型橢球殼雙管平面桁架結構設計做了簡(jiǎn)要介紹，從本例及近些年的工程實(shí)際中可以得出雙管平面桁架特別適合于大跨度、整體結構簡(jiǎn)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(chǎng)、車(chē)站、航站樓等。

主 要 參 考 文 獻

1. 尹敏達、張躍峰、弓曉蕓等.《輕型鋼結構房屋新技術(shù)與新產(chǎn)品的應用》，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.《鋼結構連接節點(diǎn)設計手冊》（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.《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001），北京.中國建筑工業(yè)出版社.2002
      4. 北京鋼鐵設計研究總院.《鋼結構設計規范》（GB50017-2003），北京.中國計劃出版社.2003
      作者簡(jiǎn)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計有限公司鋼結構所從事鋼結構設計工作。