廖昉，马悦，周鑫，梁涛

（1重庆城市综合交通枢纽（集团）有限公司，重庆 400039；2中机中联工程有限公司，重庆 400025）

1 工程概况

某工程位于贵州省毕节市赫章县境内，为温泉大棚项目，主体结构由大小两个椭圆组成。由于温泉大棚内功能较复杂，需要开敞的大型无柱空间，且对天然采光照明等要求较高，故建筑选用现代风格，通透明亮，富有时代感与科技感，功能与形式完美结合。结合建筑设计概念，结构形式采用了立体桁架体系，最大跨度61.5 m，结构高度25.5 m，大棚内为泳池设施和设备机房等，属于A级高度的高层建筑，嵌固端为基础顶面。该工程的建筑外观如图1所示，施工现场图如图2所示。

图2 现场施工图（2018年5月）

该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45s。

基础持力层为碎石土，埋深为4.3 m，地下水平均水头为1.6m。为适应后期内部设施改造要求，基础采用整体筏板，普通位置为600mm厚，钢结构桁架柱脚处为1500mm厚。筏板基础整体性好，基础刚度大，由于顶部反压了2.8m厚填土，故能同时满足抗浮要求。

2 结构设计分析

2.1 结构布置

钢结构采用9榀倒三角立体主桁架单元，跨度从33.6 m至61.5m，每榀间距为15m，柱脚为固定铰支座；腰部设置两道环形桁架，分别设置在离地9.0m和16.0m高处，两端设置斜向稳定桁架与环形桁架相连；入口门厅空间桁架跨度为40.3m。大球及小球面位置次桁架为斜交平面桁架，以增加平面内稳定性；两球相连的位置用三榀横向桁架相连。结构平面布置图如图3所示。

图3 钢结构屋面主结构布置图

主桁架主要尺寸为2m宽，根据跨度不同设置2～2.6m高倒三角形立体桁架，典型上弦杆截面尺寸为Φ351×20，典型下弦杆截面尺寸为Φ351×35，典型腹杆尺寸为Φ133×12。空间主杆件全部采用Q345B强度钢管，结构透视图如图4所示。

图4 结构透视图

2.2 结构模型的建立

为适应非线性建筑外形，传统的根据建筑剖面的建模方式很难实现结构构件完全贴合建筑表皮，且工作量大又容易出错。根据笔者的多层探索，采用犀牛软件对建筑表皮进行空间采样，然后结合抽离出来的空间线段导入3D3S进行空间桁架建模。从图4的结构透视图中可以看出，空间桁架的两根上弦杆高度不同，导致局部构件较为不规则，但这样的建模方式能完全实现结构构件紧贴建筑外皮，达到建筑预期的效果。

3 主要结构设计条件

3.1 风荷载取值

该工程处于高山地区，风荷载作为结构设计的主要荷载，根据规范基本风压0.35kN/m2（重现期100年），地面粗糙度类别B类。由于本建筑外形为非线性建筑，《建筑结构荷载规范》（GB 5009-2012）[1]中不能查到准确的体形系数，为了更加准确地分析建筑表面的风压分布，本文利用Transition-SST模型，结合顾磊、张默、黄滢等[2-4]的应用经验，以工程软件ANSYS分析了风荷载对结构的影响。

该工程用犀牛曲面软件拟合还原了建筑模型，通过导入ANSYS-Structural完成了风场范围的建模和网格划分工作。然后将模型及有限元网格导出为通用格式，在ANSYS-Fluent中定义了速度进口边界条件Velocity-inlet和压强出口边界条件Pressure-outlet，编写脚本文件导入了随高度变化的入射风场，完成了该结构的风荷载有限元分析。

当风荷载从建筑侧向以90度角吹向结构时，在出射方向的建筑侧面产生了风吸。由于建筑整体高度不高，且周围地势平坦，所以在高度方向上的风速变化不明显。该角度的风荷载风压和风速云图如图5所示。

图5 侧向风荷载风压和风速云图

当风荷载从建筑正向以0度角吹向结构时，经过计算所得到的分析结果云图如图6所示。

图6 正向风荷载风压和风速云图

从图6中可以看到，建筑体型对风荷载的影响较为明显。在钢结构最高处，风荷载的风速较大，应在设计荷载取值时予以体现。结构在出射方向的风吸作用不明显。迎风面为正压，平均风压在0.20～0.33kN/m2之间，风压高度变化系数μz=1.39，计算分析小于规范。偏于安全考虑，采用规范值进行计算。采用前后左右四个方向输入风吸和风压，并与地震工况、温度工况进行组合计算。

3.2 雪荷载取值

该工程为大跨度结构，按荷载规范属于对雪荷载敏感的建筑，基本雪压按100年一遇取值，并考虑山区雪荷载系数后为0.3×1.2=0.36kN/m2。在建筑物表面的凹进区域，考虑不均匀分布情况雪荷载标准值为Sk=0.36×2.0=0.72kN/m2。雪荷载标准值分布示意图如图7所示。

图7 雪荷载标准值分布示意图

3.3 温度作用

钢结构温度计算以预计合拢温度10℃为基准，根据我国规范，当地最低为-4℃，最高为30℃，计算按照降温-15℃和升温30℃两个工况参与进行组合计算。

3.4 地震作用

该工程设防烈度为6度，抗震设防分类为丙类，设计基本加速度为0.50g，地震影响系数最大值为0.04，场地类别为Ⅱ类，多遇地震下阻尼比取0.03。该工程定义了X向，Y向，Z（竖向）、斜交45度[5-6]。

4 结构分析结果

在结构分析时，采用了3D3S和SAP2000软件分别进行了整体分析并进行对比。从计算结果可以看到，两种软件的计算结果接近。分析结果按恒载、活载、不利活荷载布置、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震作用进行组合，取不利结果进行后期设计。

4.1 周期及振型

第一阶振型为短向平动，T1=1.27s，处于基本合理的范围，第二阶振型为长向平动，T2=1.05s，第三阶振型为扭转，Tt=0.85s，周期比为Tt/T1=0.67，从结构模态分析结果可以看出结构具有较好的抗扭刚度。结构前两阶振型图如图8所示。

图8 结构前两阶振型图

4.2 结构变形

通过前期结构布置分析发现，腰部的两道桁架对结构的整体刚度和各榀桁架的协调工作影响较大，经过多次分析计算，将原方案中的三角形桁架优化为矩形空间桁架，并增加了跨度较大的几个桁架附近杆件的截面。在1.2恒载+1.4风荷载作用下，原方案结构最大水平位移为231 mm，D/H=1/118（位移角），加强腰桁架后结构最大水平位移为56 mm，D/H=1/486（位移角），满足《钢结构设计规范》（GB 50017-2014）[7]要求。

结构1.0在恒载+1.0活载工况下，最大竖向挠度为72.1 mm，出现在对大跨度主桁架中点位置，为对应跨度的1/852，满足《空间网格技术规程》（JGJ 7-2010）[8]中的限制1/250。

结构的变形分析结果表明，结构整体刚度合理。

4.3 线性屈曲分析

该工程为拱形桁架结构，需要对结构整体进行稳定性分析，以保证结构的安全。对3种典型工况进行了稳定性分析。第一阶失稳的位置均出现平面次桁架位置，3个工况前6个屈曲模态都没有出现主桁架失稳的情况，具体屈曲特征值详见表1。所有特征值均满足《空间网格结构技术规程》中大于4.2的要求，证明结构整体具有良好的稳定性，在后期设计中考虑增加檩条提高次桁架的稳定性。

表1 结构整体屈曲分析结果

4.4 典型主桁架设计结果

通过计算发现，桁架两端的杆件内力明显大于中间杆件。故将端部杆件截面加大，往上逐步减小杆件截面，有效经济地利用材料。结构两侧桁架跨度较小，杆件内力也较小，通过多次计算调整，反复调整杆件的截面。

典型主桁架杆件截面设计结果见表2。小震设计应力比限值取0.8，经过验算所有杆件均能满足承载力和稳定性要求。中震设计时支座杆件应力比控制在0.9以内，满足中震弹性性能目标。

表2 典型主桁架杆件截面

4.5 典型支座设计

支座设计时采用最不利组合包络设计。取跨度为61.5m最大跨桁架的两个典型支座反力进行分析，最大轴力Nz=3583kN，对应的荷载组合为1.2恒载+1.4活载+0.84升温，最大水平方向反力为Ny=1311kN，对应的荷载组合为1.2恒载+0.98活载+0.84左风+1.4升温。

主桁架支座采用抗震球形支座，支座按中震弹性进行设计。对球形支座增加了两道22mm厚水平肋板和十字纵向肋板进行加强。主桁架支座均采用固定铰支座，支撑在混凝土框架柱上，并设置剪力墙抵抗水平力。典型支座示意图如图9所示。

图9 典型支座图

5 结语

本文介绍了一处位于高山地区的非线性建筑大跨度钢结构设计过程，描述了非线性建筑的结构建模方法，并且由于非线性建筑风荷载、雪荷载的取值没有规范可以参照，本文重点提出了解决这种非线性建筑荷载取值的方法。结合风荷载、雪荷载及地震等作用的组合计算，对结构的自振特性、结构变形和线性屈曲等进行了验算，有效地保证了结构的整体安全。本文介绍的结构分析方法对类似工程具有一定的指导作用。