杨春峰，等：飓风区大跨度拱形钢管桁架结构设计 飓风区大跨度拱形钢管桁架结构设计 杨春峰 李晓润 吴昌栋 陈水荣 程 荣 何文涛 （中冶建筑研究总院有限公司，北京摘１０００８８） 要：以地处澳大利亚飓风区的某堆场钢结构罩棚工程为例，利用ＳＰＡＣＥＧＡＳＳ、ＳＡＰ ２０００、ＡＮＳＹＳ软件对结构 进行设计和计算，分析结构的静力、动力特性以及变形能力，对如何设计以风荷载为控制荷载的大跨度管桁结构进 行探索。 关键词：拱形钢管桁架结构；风荷载；有限元模型；节点设计；大跨度 ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ ＬｏＮＧ—ＳＰＡＮ ＡＲＣＨ ＳＴＥＥＬ ＴＵＢＥ ＴＲＵＳＳ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＩＮ ＣＹＣＬＯＮＩＣ ＡＲＥＡＳ Ｙａｎｇ Ｃｈｕｎｆｅｎｇ Ｌｉ Ｘｉａｏ ｒｕｎ Ｗｕ Ｃｈａｎｇｄｏｎｇ Ｃｈｅｎ Ｓｈｕｉ ｒｏｎｇ Ｃｈｅｎｇ Ｒｏｎｇ Ｈｅ Ｗｅｎｔａｏ （Ｃｅｎｔｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ，ＭＣＣ Ｇｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｈｅｄ ｆｏｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｓｔｏｃｋｙａｒｄ ｉｎ Ａｕｓｔｒａｌｉａ ｃｙｃｌｏｎｉｃ ａｒｅａｓ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｙ ＳＰＡＣＥＧＡＳＳ，ＳＡＰ ２０００ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ，ａｎｄ ｅｘｐｌｏｒｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｗｉｎｄ ｉｓ ｔｈｅ ｃｈｉｅｆ ｌｏａｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ａｒｃｈ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｗｉｎｄ ｌｏａｄ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ；ｊｏｉｎｔ ｄｅｓｉｇｎ；ｌｏｎｇ ｓｐａｎ １工程概况 本工程为澳大利亚某精矿堆场钢结构罩棚可研 一 设计，采用澳大利亚相关规范为设计标准。 本结构为两个并列布置的钢结构椭圆罩棚，四 周封闭，总建筑面积约７３ ４００ Ｉｎ。。建筑物高度为 至 ４５ Ｉｎ，屋面及围护墙采用轻钢围护体系，围护体系 无保温隔热要求。 图１罩棚结构立面 钢结构罩棚由平面桁架、纵向系杆、水平支撑及 中间桁架柱组成。结构横向为２个椭圆形拱形桁 架，每个拱跨度为１００ Ｉｎ，高度为４５．２５０ Ｉｎ，两拱中 间用桁架柱连接（如图１所示）；纵向长约３６７ ｍ，在 １８０ Ｉｎ位置设置一道伸缩缝，各榀平面桁架之间用 纵向系杆和水平支撑连接（如图２所示）；在伸缩缝 位置分为两个模型进行分析计算。 椭圆罩棚的长轴长度为１００ Ｉｎ，短轴长度为 ３７．５ Ｉｎ。桁架间距７．５ Ｉｎ，系杆间距约６ Ｉｎ。构件 截面均为圆形钢管。采用国内Ｑ３４５－Ｂ钢材。 ２设计依据 ２．１设计规范 图２罩棚结构平面 ５）荷载规范第４部：澳洲地震作用ＡＳ１１７０．４。 ６）ＡＳ ４１００—１９９８《钢结构设计规范》。 ７）ＡＳ ３６００—２００１《混凝土结构设计规范》。 ２．２计算软件 １）澳大利亚Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｏｆｔｗａｒｅ １）结构钢管ＡＳ１１６３。 ２）荷载规范第０部：总则ＡＳ／ＮＺＳ １１７０．０。 Ｐｒｙ Ｌｔｄ公司的ＳＰＡＣＥＧＡＳＳ软件（结构设计）。 ２）美国ＣＳＩ公司的ＳＡＰ ２０００软件（钢结构强 第一作者：杨春峰，男，１９７９年出生，工程师。 Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｃｈｕｎｆｅｎｇＯ３７７＠１２６．ｃｏｍ ３）荷载规范第１部：恒载、活载及其他作用 ● ＡＳ／ＮＺＳ １１７０．１。 ’ ４）荷载规范第２部：风荷载Ａｓ／ＮＺＳ １１７０．２。 Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１１（１１），Ｖ０１．２６，Ｎｏ．１５２ 收稿日期：２０１１一Ｏ５—２Ｏ ３５ 工程设计 度和整体稳定分析与校核）。 ３）美国ＡＮＳＹＳ公司ＡＮＳＹＳ ＦＬＸ软件（结构 ４结构设计与计算 ４．１ 结构有限元模型 体型系数模拟分析）。 ３结构选型 本工程采用ＳＰＡＣＥＧＡＳＳ １０．０和ＳＡＰ ２０００ （Ｖｅｒｓｉｏｎ ９．１．６）软件进行钢结构的设计计算。有 限元分析模型中，构件采用一般梁单元和杆单元来 模拟。构件类型有：１）上弦杆，２）下弦杆，３）腹杆，４） 中间柱，５）纵向水平系杆，６）水平支撑，７）垂直支撑， ８）山墙各类构件。其中，３）、５）、６）、７）、８）用杆单元 本工程位于澳大利亚飓风区，地区极限风速高 达８８ ｍ／ｓ。同时，本结构跨度较大，单个罩棚的跨 度达到了１００ ｍ，采用钢桁架结构。在解决跨度问 题的同时，结构的风敏感性也相应增加，致使风荷载 成为控制本工程设计的最主要因素。 因此，结构选型主要从结构的抗风能力和经济 性出发，包括以下几个方面： 模拟，其余构件则采用梁单元。 两跨中间桁架柱柱脚为刚接支座，两跨边缘柱 脚为固定铰支座，其分布如图３所示。 设计所考虑的荷载有恒荷载、活荷载、风荷载、 温度荷载和地震作用。荷载均以线荷载的形式施加 在模型上。 １）构件截面的选取。圆管桁架结构外形美观， 造型灵活。相比其他截面形式，风荷载对圆管结构 的作用效应较低。 ２）两拱之间的连接。本工程中横向桁架由两个 拱组成，两拱并非是的，而是通过共用一个中间 桁架柱的方式组成了一个整体。因为在荷载的作用 下，整个结构共同工作，两拱彼此之间提供侧向加 强，增大了结构的整体刚度。如果采用两拱的 方案，拱相邻处就应布置并列的两排拱边柱，不但增 加了工程的用钢量，而且使基础的设计趋于复杂。 虽然采用拱的方案可以使结构的设计和计算分 析相对简单，但综合衡量，还是两拱相连的方案更为 经济合理。 图３有限元模型 ４．２结构动力特性 ３）支座形式的确定。根据澳大利亚风荷载规范 ＡＳ／ＮＺＳ １１７０．２的规定，当结构的基本周期Ｔ＞ １．０ Ｓ时，结构会发生不可忽略的横向风振，这对处 于飓风区的建筑物是极为不利的。因此，在确定支 结构的动力特性（频率和振型）是进行地震反应 分析的基础。采用特征值向量法求得结构的各阶振 型。图４一图６列出了结构前３阶振型。 ｌ， 座形式时，除了考虑结构本身强度和刚度外，还应从 结构所受的风荷载出发，力求将结构的基本周期控 制在１．０ Ｓ以内，以排除横向风振作用的不利影响。 设计时考虑了４种支座方案。其一，两跨拱的 ３个支座均采用固定支座，经计算，支座处的弯矩和 剪力太大；其二，３个支座均采用固定铰支座，则结 构刚度较小，自振周期大于１．０ Ｓ，横向风振的作用 图４第１阶振型 Ｌ ｙ Ｌ一 无法忽略；其三，中间桁架柱支座采用固定支座，两 端支座采用滑移支座，结构刚度同样太小，自振周期 过大，且支座位移也太大，高达２００～３００ ｍｍ；其 四，中间桁架柱支座采用固定支座，两端采用固定铰 支座，经计算，结构刚度合理，自振周期小于１．０ Ｓ， 根据澳洲规范不需考虑横向风振作用，且位移符合 要求，从而被确定为最终方案。 图５第２阶振型 由ＳＡＰ ２０００软件算得的结构前３阶频率及对 应的周期和质量参与系数如表１所示。 可以看出，结构自振周期小于１．０ Ｓ，符合设计 要求。结构频谱较为密集，结构的水平振型和扭转 振型贡献较大。 ３６ 钢结构 ２０１１年第１１期第２６卷总第１５２期 杨春峰，等：飓风区大跨度拱形钢管桁架结构设计 图６第３阶振型 图８纵向风荷载作用下变形 表１ 频率及对应的周期和质量参与系数 ４．３结构位移计算 图９横向地震荷载作用下变形 位移计算考虑１Ｏ种荷载工况，分别为：①１．０ 恒；②１．０活；③０．７活；④０．４活；⑤１．０风荷载（Ｘ 向）；⑥１．０风荷载（ｙ向）；⑦１．０地震（Ｘ向）；⑧１．０ 地震（ｙ向）；⑨１．０温度（升温）；⑩１．０温度（降温）。 计算结果表明： １）本结构在１．０恒＋０．４活荷载组合工况下， 最大竖向挠度为５１．７９ ｍｍ＜［－Ｌ／３００３—３３３ ｍｍ， 满足澳洲荷载规范ＡＳ／ＮＺＳ １１７０．０的要求； ２）在１．０恒＋１．０风荷载（Ｘ向）组合工况下， ０．９ Ｏ８ Ｏ．７ 图１Ｏ纵向地震荷载作用下变形 最大水平位移为１７６．６２ ｍｍ＜［Ｈ／１５Ｏ］一２８０ ｍｍ， 满足澳洲荷载规范ＡＳ／ＮＺＳ １１７０．０的要求； ３）在１．０恒＋１．０风荷载（ｙ向）组合工况下， 丑０．６ 瓣 ０．２ Ｏｌ Ｏ．０ ８５４１７０７ ２５６０ ３４１３４２６６ ５１１９ ５９７２ ６１１２５ ７６７８蹬８ｌ ９８８４１Ｃ￣３７１１０９０ 最大水平位移为４７．３６ ｍｍ＜ＥＨ／１５０￣一２８０ ｍｍ， 也满足澳洲钢结构规范ＡＳ ４１００的要求。 图７一图１Ｏ列出了典型荷载作用下的结构变 形。 杆件编号 图１１主结构杆件应力比 应力比验算结果。 由图１１可知，所有杆件应力比均小于１．０，大 部分分布在０．３～０．７区间，均满足强度要求。 ４．５线性屈曲分析 特征值屈曲分析采用了３种荷载组合模式：恒 荷载＋活荷载、恒荷载＋横向风荷载以及恒荷载＋ 图７横向风荷载作用Ｆ变形 纵向风荷载，分别列出前９阶屈曲荷载系数如表２ 所示。 ４．４静力性能强度分析 可见，结构的整体稳定极限承载力较高，整体性 能良好。 ４．６节点设计 本工程分别采用ＳＰＡＣＥＧＡＳＳ程序（ＡＳ ４１００ 规范）和ＳＡＰ ２０００程序（ＧＢ ５００１７—２００３￣钢结构 设计规范》）对结构进行了验算，其结果基本一致。 通过ＳＡＰ程序导出各杆件压弯应力比（Ｐ／Ｍ）的数 值，并进行统计归类。图１１给出了主体结构构件的 Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１１（１１），Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．１５２ 由于相贯节点形式不用节点板，所以构造简单，节 约钢材。根据钢管桁架结构的特性，本工程中的节点采 ３７ 工程设计 表２屈曲荷载系数 模态 恒荷载＋ 横向风荷载 恒荷载＋ 纵向风荷载 的结构，以及高度超过３０ ｍ且高宽比大于１：５的 高柔房屋，考虑风振影响。澳大利亚规范则规定，当 结构或者结构杆件的基本周期小于１．０ Ｓ时，风振 系数取１．０；若基本周期大于１．０ Ｓ时，则要根据实 际情况计算风振系数。 ５．４ 高度和地形影响系数 对于风压高度系数的计算，中国规范采用指数 公式，而澳大利亚规范采用对数公式，因而中国规范 中规定的风压高度系数大于澳大利亚规范。 对于地形影响系数，澳大利亚规范考虑了群体 用相贯节点。并采用ＡＮＳＹＳ软件对典型节点进行 分析计算（图１２），得出节点最大应力为２９９．４５ ＭＰａ， 满足要求。 ６ 结 论 建筑物之间的遮蔽影响，而中国规范并未考虑。 １）合理的结构形式是保证结构安全性和经济性 的先决条件。设计中应结合工程的实际状况，综合 衡量各种因素，对比选择最优的结构形式。钢管桁 架结构应用于大跨度建筑有着独特的优势，其结构 形式简单，结构受力合理，传力方式明确，构件利用 效率高，节点构造简单，制造施工方便，经济效益好， 造型灵活美观，从而成为本工程结构形式的优选方 案。 ２）在飓风区，地区极限风压很大，加之大跨度钢 管桁架结构质量轻、受力面积大，对风荷载的作用相 （） ６６ ５４４ １３３．０８９ １９９ ６３３ ２９９．４５ 当敏感，使得风荷载作用成为本工程结构设计中的 控制因素。根据澳大利亚风荷载规范，当结构的基 本周期Ｔ＞１．０ Ｓ时，结构的横向风振不可忽略，应 合理控制结构刚度，以避免横向风振的作用。 图１２节点应力云图ＭＰａ ５ 中澳风荷载规范比较 中国与澳大利亚规范中关于风荷载规定的差 ３）钢管桁架结构除满足强度要求之外，还应保 证结构体系的整体性和稳定性。应注重结构体系的 空间整体分析，包括动力特性、结构位移和结构整体 稳定性的分析计算，以确保结构体系的安全。 ４）中国和澳大利亚规范对风荷载计算的规定有 较大差别，设计中应充分理解并正确运用相应规范。 参考文献 ［１］丁阳，赵奕程．大跨度空间钢管桁架结构的风振响应和风振 别，主要体现为基本风速、体型系数、风振系数、高度 和地形影响系数等风荷载参数的不同取值。 ５．１基本风速 基本风速的主要区别在于重现期和平均风速时 距的选取。中国规范取基本重现期为５０年，澳大利 亚规范则给出了各个地区重现期的具体数据，根据 需要通常取２０年、５０年或１００年；中国规范取１０ ｍｉｎ为平均风速时距，澳大利亚规范则取３ Ｓ为平均 风速时距，基本风速值大于中国规范。 ５．２体型系数 控制研究ＥＪ］．湖南大学学报，２００６，３３（３）：１７—２１． Ｅ２］李学军，史俊亮，李海旺．空间拱形桁架屋盖结构设计［Ｊ］． 低温建筑技术，２００５（１）：４２—４４． 中国规范中，体型系数取各个面上的平均值或 Ｅ３３杜宁，李立昌，王永刚．关于中澳飓风区风荷载设计异同的比 较ＥＪ］．钢结构，２０１０，２５（４）：４７—５０． 整体的平均值，而澳大利亚规范中，根据位置的不 同，结构同一表面上的体型系数也有所不同。 ５．３风振系数 ［４］郭彦林，郭宇飞，盛和太．钢管桁架拱的稳定性及应用［Ｊ］． 空间结构，２００８，１４（４）：４１—４９． 中国规范规定，对于基本自振周期不小于０．２５ Ｓ ３８ 钢结构 ２０１１年第１１期第２６卷总第１５２期
