徐 云

(中交天津港湾工程设计院有限公司， 天津 300461)

0 引言

在建筑结构中，以钢材制作为主要形式的结构是主要类型。钢材具有较强的变形能力，较好的整体钢性、自重轻、强度高，比较适用于超重、超高和大跨度建筑物的建造。钢材的各向同性与材料的匀质性都比较好，是理想的弹性体，和一般工程力学基本假定最为符合。另外，钢材具有较好的韧性和材料塑性，能实现比较大的变形，能较好承受住动力荷载。钢材的建筑周期比较短，工业化程度比较高，能实现较高机械化的生产。

1 工程总概况

长江航道重庆科研实验基地项目中河工模型大厅工程位于重庆市南岸茶园新区，总占地面积53348.09平方米。地块近似呈“L”型，地势高低起伏，高低落差近 39m。南北向最长 312.98m，东西向最长 258.2m，本着利用地形，节约造价的原则，将基地分成3个标高，其中：检测实验中心9044.88平方米（包含多种设备用房、变电所、发电机房）、河工模型大厅17567.74平方米、道路10925.93平方米、地下消防水池、围墙、绿化以及室外配套水电等。项目概算编制依据是《重庆市建设工程计价定额》以及交通部《内河航运建设工程概算预算编制规定》2014年。重庆市建设工程计价定额综合解释（2008年版）、重庆市建筑工程计价定额（2008年版）、重庆市装饰工程计价定额（2008年版）、重庆市安装工程计价定额（2008年版）、重庆市市政工程计价定额（2008年版）。

2 河工模型大厅介绍

河工模型大厅为单层建筑，设有局部夹层[1]。本工程实验内容主要为模拟河道实验，生产火宅危险性分类为戊类，建筑物长 200.6米，宽 82.6米。建筑面积16569.56m2，建筑高度为19.25m，耐火等级为二级。整个建筑物为一个防火分区，设六个安全出口，相临安全出口最近边缘水平距离大于5m，满足《建筑设计防火规范》第3.7.1条。每个观测室的建筑面积不大于400m2，且同一时间的作业人数不超过30人，满足《建筑设计防火规范》第3.7.2条的规定。厂房外门净宽不小于1.2m，疏散楼梯、走道和门的净宽满足《建筑设计防火规范》第3.7.5条最小净宽度的规定。疏散距离满足《建筑设计防火规范》第 3.7.4条之的规定[2]。通过以下几个方面开展比选分析：

2.1 屋盖结构选型

目前，对于本项目屋盖结构选型可采用的结构形式有管桁架结构、张拉索桁架（梁）结构、网架结构等。

在大跨度结构内，网架结构是常用结构类型，由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。其优点主要是：空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能及整体性好等。可用作体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。其缺点是：汇交于节点上的杆件数量较多，节点的耗钢量较大，制作安装较平面结构复杂，施工费用高[3]。本工程跨度为 80m，结构受力特点是沿跨度方向受力较大，沿建筑长度方向受力较小，这使得沿建筑长度方向杆件的材料利用不够充分，且多层网架中部增加了弦杆层，结构的节点和杆件数量增多，中间层的节点所连接杆件多，构造较复杂，对于80m跨度的屋盖来说，其经济指标不太理想，且其杆件数量众多，施工周期长，室内的视觉效果差。本次不予采用。

对上部结构形式重点选取无预应力空间管桁架结构、张拉索桁架（梁）结构以及拱形管桁架结构进行方案对比：

方案1：体内张拉预应力钢绞线桁架结构

张弦桁架结构是一种由刚性上弦杆件、柔性拉索、中间连以刚性撑杆形成的混合结构体系，也是一种用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件形成的自平衡体系。柔性索与刚桁架的有效结合使得结构各部分充分发挥了各自的优点，各构件中的内力分布均匀合理，传递给下部结构的推力最小，最终显著提高了结构的承载力、稳定性和刚度，并节省了材料的用量。

本工程结构跨度为80m，结构断面方案与方案2相同，仅在下弦杆内增加设置预应力钢索。

经过初步计算，主桁架上弦杆采用Φ426x12，中弦杆采用Φ325x16，下弦杆采用Φ480x16，下弦杆内设置拉索，拉索采用37根无粘结预应力钢绞线，规格为15.2。主结构用钢量约为71kg/m2。桁架的结构高度约为6.0m。

方案2：无预应力空间管桁架结构

相比网架结构，管桁架结构省去下弦纵向杆件和网架的球节点，在构筑圆拱和任意曲线形状方面比网架结构更有优势，其各向稳定性相同，节省材料用量。相较于传统的开口截面（H型钢或I字钢）钢桁架，管桁架结构截面材料绕中和轴较均匀分布，使截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度，不用节点板，构造简单，结构外形美观，便于造型，有一定装饰效果，结构整体性能好，扭转刚度大，制作、安装、翻身、起吊都比较容易。

本工程结构跨度为80m，柱间距按20m考虑。上弦做成拱形的三角形管桁架，下弦杆为水平杆。下弦水平杆的设置，有效减小了水平推力。

经过初步计算，主桁架上弦杆采用Φ426x12，中弦杆采用Φ325x12，下弦杆采用Φ530x16。主结构用钢量约为81kg/m2。桁架的结构高度约为6.59m。

方案3：普通拱形管桁架结构

拱形管桁架结构是现代大跨度公建中普遍采用的结构类型，其特点是：建筑表现力好，结构形式美观，杆件少，节点形式简单流畅，结构的刚度好，抗压和抗拉性能好。

本工程结构跨度为80m，柱距按20m进行设计，采用拱形空间管桁架结构。

经过初步计算，主桁架上弦杆采用Φ325x12，中弦杆采用Φ159x6，下弦杆采用Φ325x12。主结构用钢量约为82kg/m2。管桁架的结构高度约为6.8m。

上述三种结构方案的主要计算结果对比如表一所示：

表1 屋盖结构方案主要计算结果对比表截面尺寸及规格 支撑柱底反力，

2.2 屋盖支撑结构比选

大跨屋盖的下部支撑体系对于保证整个结构的安全可靠尤为关键，本次采用以下三种支撑柱进行比选：

方案1：钢管混凝土柱

钢管混凝土柱在结构上能够将混凝土和型钢的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高，同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大的提高了承载能力。钢管混凝土主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中（如厂房和高层）。钢管混凝土结构的优点主要有：施工方便，工期较钢筋混凝土结构大大缩短；承载力高、延性好，抗震性能优越；有利于钢管的抗火和防火；耐腐蚀性能优于钢结构；缺点是相对于钢筋混凝土结构造价较高梁柱节点处理较复杂。

方案2：钢筋混凝土柱

作为一种最为常见的建筑材料，钢筋混凝土的优点主要是体现在造价较低、施工简易、整体性好、耐久性好、易于就地取材等。缺点是相对截面较大，施工周期较长。

方案3：钢结构格构柱。

钢结构格构柱的格构体系构件由肢件和缀材组成。格构柱的主要思路是：将材料面积向距离惯性轴远的地方布置，能保证相同轴向抗力条件下增强构件抗弯性能，并且节省材料。格构柱属于良好的压弯构件，所用于厂房柱和悬臂柱。缺点是格构柱占地面积较大，抗火、防火、耐久性较差。

综合以上优缺点，从建筑使用功能、结构受力方面考虑，建议采用方案1：钢管混凝土柱方案。经初步计算，当屋盖结构采用无预应下弦水平空间管桁架结构方案时，钢支撑柱规格为Φ1200x20，钢管内浇筑C40混凝土。

2.3 围护结构

模型大厅屋面结构采用压型钢板轻型钢屋面，设置纵横向双层檩条，主檩拟采用高频焊接H型钢，次檩拟采用热浸镀锌冷弯薄壁Z型钢檩条。

墙面结构，在支撑结构柱之间按照间距不大于7.0m设置抗风柱，抗风柱采用焊接H型钢截面。墙面采用压型钢板轻型结构，檩条采用冷弯薄壁C型钢。

2.4 建安费对比表

建筑安装工程费用估算表工程名称：长江航道重庆科研实验基地项目-河工模型大厅钢结构部分金额：万元

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如表，经对比分析，得出结果：

a. 从结构比选方面：方案一中有预应力钢绞线，施工工艺要求较高，且存在后期监测及维护；方案三存在较大水平推力及柱底弯矩，对地基基础及支撑立柱的要求均较高；

b. 从造价方面（建安直接费），方案一在基础结构和主体结构造价方面比方案二、方案三要低；在维护结构造价方面，方案一和方案二相同，都低于方案三；在附属结构造价方面，方案一和方案二也相同，都低于方案三。总造价方案二较方案一增加约259.43万元，但是方案一尚未包括使用期钢绞线监测及维护费用，方案三较方案一增加约610.15万元。

3 结论

通过对河工模型厅（80米跨度）结构方案中无预应力空间管桁架结构、体内张拉预应力钢绞线桁架结构、普通拱形管桁架结构三种方案的定额造价、结构功能进行分析，得出：无预应力空间管桁架结构方案更为合适。无预应力空间管桁架结构不仅造价实用，工艺相对较高，并且避免使用期对钢绞线监测。保障钢结构厂房的安全和稳定。

[1]商怀宇, 胡静. 浅谈建筑企业工程量清单计价规则应用的注意事项[J]. 建筑工程技术与设计, 2017(8).

[2]长江航道重庆科研实验基地项目工程可行性研究报告