某展示中心异形空间桁架结构设计分析

张 飞 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概况

本工程为煤化工基地展示中心，地上1层，建筑平面尺寸48.2m×45.3m，最大高度为18.167m，空间体型异形。因建筑功能需求，展示中心内部局部设置会议室及办公室等功能，地上2层，地下1层。展示中心采用空间桁架结构，内部用房采用钢框架结构，两者设抗震缝脱开，按两个独立结构单元设计。基础及地下室部分按整体模型进行设计。本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，多遇地震下水平影响系数最大值为0.04。设计地震分组为第三组，场地类别II类，特征周期为0.45s[1]。根据《建筑抗震设计规范》（GB50211-2010）[1]第8.1.3条，本工程空间桁架抗震等级为四级。

图1 建筑东南轴测图

图1为展示中心建筑整体三维图，建筑取意钻石，与展示产品相呼应，通过形体的切割，力图让建筑更加富有雕塑感和立体感。建筑要求内部无柱，外立面简洁通透，经与建筑协商后，结构方案选用空间桁架体系。

2 网格模型划分

由于本工程建筑体型异形，常规设计软件无法直接生成结构模型，因此本工程一个难点在于空间模型的建立。本工程建筑形体虽异形，但是为若干空间平面组成，非空间曲面，可先通过计算机辅助设计三维CAD软件进行网格划分，再将划分后的CAD网格模型导入设计软件，赋予杆件属性再进行计算。

本工程横向与纵向平面尺寸较为接近，故采用双向正交桁架体系。因纵向尺寸相对较小，纵向桁架为主桁架，沿横向共计4榀，桁架间距为12m。横向桁架为次桁架，沿纵向共计3榀，桁架间距12m。主、次桁架节间距离为3m，桁架高度2.5m。为增强结构整体刚度，在屋盖顶部四周设置边桁架。

结构网格模型建立步骤如下：①根据建筑提供的外轮廓条件建立实体单元模型；②在桁架弦杆所在位置采用竖直空间面切割实体单体单元，提取实体单元边线得到弦杆网格；③连接上、下弦杆节间节点形成斜腹杆网格；④相同方法，切割实体单体单元得到屋面及墙面次梁网格，依次按上述步骤可完成结构网格模型建立。图2和图3分别为CAD网格划分的结构桁架平面布置图与主桁架1西南轴测图。

3 计算模型与荷载取值

3.1 计算模型

本工程有限元软件MIDAS/GEN进行设计，钢材材质采用Q345B，杆件截面均采用各向等强度的圆管，杆件采用梁单元进行模拟。桁架上弦、下弦杆截面为 φ325x12，斜腹杆主要截面为φ140x4.5，次梁截面为φ273x10，根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[2]第5.1.5条，除能保持贯通的弦杆外，斜腹杆端部定义为铰接节点。

3.2 荷载取值

①恒载：屋面及墙面建筑材质为玻璃或者金属面层，屋面及墙面恒载取值1.5kN/m2。

图2 桁架平面布置图

图3 主桁架1西南轴测图

②活荷载：不上人屋面，活荷载为0.5kN/m2。

③风荷载：因建筑体型异形，荷载规范无此类建筑风荷载体型系数规定，故本工程进行了风洞试验，风荷载取值按本工程风致响应分析报告取值。

④雪荷载：按该地区100基本雪压取值，0.45kN/m2。

⑤温度作用：升温及降温工况分别取正负25℃。

⑥地震作用：抗震设防烈度为6度，水平影响系数最大值为0.04，设计地震分组为第三组，场地类别II类，特征周期为0.45s。结构阻尼比为0.02。

荷载组合按《建筑结构荷载规范》[3]、《建筑结构可靠性统一标准》[4]等规范要求进行组合。

4 受力性能分析

4.1 自振特性分析

结构的动力响应不仅与动荷载激励的性质有关，而且与结构本身的动力特性密切相关，即结构的振动频率和振型。表1为结构前六阶自振频率及周期分布情况。

前三阶振型如图4所示。

图4 前3阶振型图

由图4可知，第一振型表现为X向整体水平振动；第二阶振型为Y向整体水平振动；第三阶振型呈现墙面次梁局部振动。

根据上述分析可得，本工程结构体系采用双向正交桁架加屋盖四周边桁架，结构整体竖向刚度和抗扭刚度大，结构前六阶振型中未出现屋盖竖向振动和扭转振动。

4.2 静力分析

前六阶自振频率及周期 表1

“强度应力比”统计结果表 表2

标准组合（1.0恒+1.0活）下，结构最大竖向位移为70.2mm，满足《空间网格结构技术规程》[5]表3.5.1对立体桁架结构挠度容许值1/250的要求。

根据计算分析模型，进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为0.85，表2为构件“强度应力比”统计结果表。

4.3 稳定性分析

线性屈曲分析第一阶线性屈曲模态荷载因子为42.4，屈曲形态为位于主桁架2立柱侧向失稳。考虑初始缺陷后，更新模型，进行结构非线性稳定分析，在1.0D+1.L(恒+活)工况下，结构安全系数为17.0，满足《空间网格结构技术规程》[5]4.3.4条最小值4.2的要求。

5 结论

本文以某展示中心实际工程为例，对异形空间桁架结构的建模、计算和分析进行完整介绍和分析，结构各项计算指标均满足规范要求，可对类似工程设计提供参考。