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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(gòu)件，長(zhǎng)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(shí)例為依據(jù)，簡(jiǎn)要介紹了大跨度橢球殼雙管平面桁架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及連接的構(gòu)造處理，對(duì)類似工程具有參考價(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(qū)中捷產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是一個(gè)集會(huì)議、度假、旅游、高爾夫于一體的高標(biāo)準(zhǔn)、綜合性五星級(jí)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(hù)全部采用隱框玻璃幕墻，其平面尺寸為長(zhǎng)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(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(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(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(jiàn)圖2），這種結(jié)構(gòu)形式給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)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(duì)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(dá)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(zhǎng)軸受力為輔的雙管平面桁架結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)不再設(shè)置檁條系統(tǒng)，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(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(diǎn)）和6榀單管主桁架，沿長(zhǎng)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(zhǎng)軸方向設(shè)置了6道橫向交叉支撐，見(jiàn)圖3。
      另外，業(yè)主還對(duì)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(jì)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(dòng)計(jì)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(chǎng)地。

四、結(jié)構(gòu)分析
      此類橢球殼的特點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)軸中部向端部逐漸收縮，并且越接近長(zhǎng)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(jì)算模型無(wú)法模擬結(jié)構(gòu)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(cè)向支撐、溫度作用等均可較真實(shí)地反應(yīng)到模型上，分析更加準(zhǔn)確，又可對(duì)用鋼量起到優(yōu)化作用，降低工程造價(jià)。本設(shè)計(jì)采用韓國(guó)通用有限元分析軟件MIDAS/GEN進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，中國(guó)建筑科學(xué)研究院PMSAP軟件進(jìn)行校驗(yàn)。
荷載組合按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》執(zhí)行，同時(shí)考慮溫度、地震作用。此類結(jié)構(gòu)需要注意溫度作用對(duì)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(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(shè)計(jì)規(guī)范》考慮水平及豎向地震的作用。
經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，鋼管的強(qiáng)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(jì)算長(zhǎng)度通過(guò)次桁架及縱向系桿控制在3.6m以內(nèi)，下弦通過(guò)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(qiáng)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(chǎng)地土層承載力低、壓縮性高，需進(jìn)行地基處理。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，采用預(yù)制混凝土方樁進(jìn)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(jí)配砂石，處理后的復(fù)合地基承載力經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到220Kpa的設(shè)計(jì)要求。
      本工程因地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性、對(duì)鋼筋具有微腐蝕性，所以對(duì)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(duì)混凝土及鋼筋的腐蝕問(wèn)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(jì)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(dú)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(jiàn)圖4。

 
圖4  獨(dú)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(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理，管桁架材質(zhì)均采用Q345B。鋼管可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?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(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(jiàn)圖9、圖10）。桁架腹桿長(zhǎng)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(jiàn)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(dòng)切割機(jī)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。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了相貫鋼管之間的承載力計(jì)算公式，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)相貫處管壁的局部強(qiáng)度研究依然不夠十分成熟，尤其是受力較大的部位，僅憑計(jì)算結(jié)果很難用于實(shí)際工程，設(shè)計(jì)上通常采用加強(qiáng)套管或加強(qiáng)板來(lái)加強(qiáng)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(guī)范公式驗(yàn)算承載力外，更主要的是采取加強(qiáng)套管的方式來(lái)加強(qiáng)主桁架與次桁架等連接節(jié)點(diǎn)，從構(gòu)造上對(duì)重要節(jié)點(diǎn)予以加強(qiáng)。為保證加強(qiáng)套管與主管連接牢固，在加強(qiáng)套管中部間隔100mm、開d=20mm的孔與主管塞焊，焊后磨平，見(jiàn)圖6。

 
圖6  加強(qiáng)套管節(jié)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(nèi)襯管的方式，開坡口全熔透等強(qiáng)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(jié)點(diǎn)，上下弦桿與半球相貫連接，半球通過(guò)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(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(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖13。

 
圖13  玻璃幕與上弦連接

八、防腐蝕設(shè)計(jì)
      溫泉泳浴條件下鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝是個(gè)應(yīng)引起重視的問(wèn)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(dāng)，結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性都將大大折扣。本工程采取對(duì)構(gòu)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(gòu)件均進(jìn)行拋丸（噴砂）除銹處理，修補(bǔ)時(shí)采用手工機(jī)械除銹，除銹等級(jí)達(dá)到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》 (GB8923-88)中Sa3級(jí)和St3級(jí)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(jiàn)表2。
 

表2 防腐蝕涂裝要求

      九、結(jié)語(yǔ)
      1.本工程于2011年5月完工，其整體效果達(dá)到業(yè)主預(yù)期設(shè)想，成為當(dāng)?shù)貥?biāo)志性建筑。
      2.本文根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)大型橢球殼雙管平面桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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)、車站、航站樓等。

主 要 參 考 文 獻(xiàn)

1. 尹敏達(dá)、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(guó)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(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版），北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2009
      3. 中國(guó)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(guó)建筑工業(yè)出版社.2002
      4. 北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003），北京.中國(guó)計(jì)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(guó)際建筑工程設(shè)計(jì)有限公司鋼結(jié)構(gòu)所從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。