1结构体系布置
建筑主体钢结构是由24榀径向布置主桁架、５组环向封闭桁架与中部双层网壳组成的空间管桁架－双层网壳复合结构。为了增加屋盖结构在其平面内的整体刚度，在桁架上弦平面布设了交叉张紧圆钢支撑体系，使桁架与中间网壳及支撑系统共同组成了钢结构屋盖的超静定结构体系。主桁架下端铰接于混凝土看台柱上，支承间跨度79.1ｍ，结构外轮廓尺寸93.9ｍ，双层网壳跨度44.3ｍ。建筑屋盖钢结构平、剖面见图1。
2荷载及工况组合
设计荷载取值。静荷载标准值：屋面板及玻璃采光顶自重0.7kN/m2，下弦吊挂荷载0.3kN/m2，且单点吊重不大于1.0kN；马道荷载1.2kN/m（不含马道自重）；活荷载：屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，雪荷载标准值为0.0kN/m2，二者取最大值；温度荷载：±20℃（结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值）；风荷载：基本风压取0.4kN/m2，风荷载体型系数、风压高度变化系数、风振系数按GB50009－2012《建筑结构荷载规范》及经验取值；结构的风振系数取1.5，风荷载体型系数参照GB50009－2012做以下规定：建筑顶面风荷载体型系数为-1.0，建筑迎风墙面风荷载体型系数为+0.8，背风墙面风荷载体型系数为-0.5，其他位置见图2。本工程抗震设防烈度为６度。基于以往工程经验，在荷载组合中考虑了静荷载、活荷钢结构自重由程序自动计算。共考虑了70种荷载组合，这里仅列出主要的荷载组合工况：①1.35恒+0.98活；②1.20恒+1.4活；③0.7恒+1.4风；④1.2恒+1.4活+0.84风；⑤1.2恒+1.4活+0.84风+温；⑥0.7恒+1.4风+温。由于实际屋面板材料的重量存在较大的变异性，故在考虑风吸时，对静荷载和活荷载的分项系数予以适当折减。
3结构设计
3.1结构建模计算
钢结构的计算中采用了3D3S(10.0版)、SAP2000（V14版）、MIDAS/GENV.80等多个计算软件建立了有限元模型，并对计算结果作了对比分析，钢结构自重由程序自动计算。根据结构布置的特点，采用了是否考虑与下部结构共同受力的２种不同计算模型。第一种为钢结构不与下部结构同时考虑的纯钢结构计算模型，底部为固定铰支座；第二种为钢结构与下部混凝土结构同时考虑的混合计算模型，钢结构与混凝土铰接嵌固。杆件单元选取时做如下假定：中间网壳杆件均为杆单元；对管桁架的杆件均为梁单元，或均为杆单元以及上、下弦杆为梁单元，腹杆为杆单元的计算模式分别进行了计算。采用SAP2000（V14版）进行钢结构与下部混凝土结构的混合模型计算，混凝土强度等级为Ｃ30，混凝土梁柱均选用梁单元。计算分析可以得出：①不同的计算软件所得的构件内力基本一致，结构变形形状与变形量接近。②构件选用梁单元还是杆单元对设计结果影响不大，主要原因是管桁架－双层网壳复合结构只承受节点荷载的作用，各构件内力以轴力为主，弯矩较小。③从荷载组合产生的内力结果来看，本工程主体钢结构是一规则多边形结构，活荷载不利布置组合工况不起控制作用。④网壳中央部分上弦受压，下弦受压，该区域的受力体现了网壳的特征，网壳径向杆件最大压力为530kN。在网壳与桁架过渡区域附近则形成了典型的拉力环，最大杆件拉力为110kN。主桁架体现出Ｌ型钢架受力特征，转折处上、下弦杆受力较大，桁架下弦杆件最大压力为1920kN。钢结构杆件采用Ｑ235Ｂ无缝钢管，中间网壳最大杆件为180×10，空间管桁架最大杆件为351×20。杆件选用原则为应力比小于强度设计值的85％，以保证结构有足够的安全性。钢结构中间跨度在荷载标准值组合作用下，最大竖向位移为116mm，建筑上部钢结构支座间跨度为79.1ｍ，最大的挠跨比为1/681，满足JGJ7－2010《空间网格技术规程》中竖向变形要求。
3.2结构振动特性
上部钢结构模型第一阶振型为整体Ｘ向平动，周期0.8032s，第四阶振型为整体扭转，周期0.3991s，扭转周期与第一平动周期的比值为0.497，小于0.85，满足JGJ7－2010要求；钢结构与混凝土整体模型第一阶振型为Ｘ向平动，周期0.9961s，第三阶振型为整体扭转，周期0.6955s，扭转周期与第一平动周期的比值为0.698小于0.85，满足JGJ7－2010要求。
3.3关键节点处理
上部网壳节点采用焊接球节点，空间管桁架采用管管相贯节点，弦杆截面贯通，腹杆焊于弦杆之上。桁架弦杆变径处采用锥头进行平缓过渡，尽量少设接头，以达到建筑美观要求。当杆件长度无法满足要求时，拼接节点采用全熔透等强对接焊缝，对焊时加短衬管，并磨平焊缝余高，达到与被连接材料同样的光洁度。空间管桁架弦杆转折处采用焊接球节点进行处理，最大焊接球尺寸为Ｄ550×30，采用有限元软件ANSYS对该节点进行计算分析，节点在设计荷载下大部分区域的等效应力不超过160MPa，表明此种节点具有较大的安全储备。
4结语
通过对某建筑合理的选型分析设计，经过大量的计算优化，屋盖结构总用钢量为461.1ｔ，单位用钢量为48.6kg/m2（以展开面积计算），结合结构的受荷情况及支承间跨度79.1ｍ来看，比较经济合理。此类结构的应用也进一步表明，通过合理的结构选型，可将单一的网架、网壳、桁架等传统的空间结构形商业经济期刊式替代为复合网格结构体系或其他结构体系，实现结构形式的创新和突破，进而提高大跨建筑结构的整体美观性、经济性和安全性。
作者：赵志刚
