高志华

摘要：本文主要阐述某酒店会议中心屋顶结构设计思路与方法。该酒店地处风景优美的沿海地区，作为建筑方案总体设计的一部分，酒店会议中心屋顶设计为种植屋面。屋顶平面扇形造型与其西南方向酒店主体遥相呼应，屋顶侧立面为三段锯齿形倾斜状，以方便客人从酒店主体向下俯瞰种植屋面绿植景观；同时绿植屋面也是会议中心保温隔热的一种有效方式。酒店会议中心屋顶除出挑部分外，沿宽度方向柱网跨度为（24+8）米。本工程大跨度种植屋面不同于一般轻质屋面的设计方式，结合使用功能及建筑造型两方面要求，2 4米跨度内屋面采用平面钢桁架、钢次梁及非组合楼板结构体系；8米跨度范围内考虑降低工程造价，采用常规钢筋混凝土梁、板结构体系。本文将着重阐明大跨度种植屋面结构体系的选型，垂直支撑及下弦水平支撑的布置方式，平面钢桁架荷载计算的方法，平面鋼桁架主要设计计算结果以及钢结构构件的材料选用原则，钢结构构件除锈、涂装、拼装、运输及堆放等方面要求。

关键词：平面钢桁架、垂直支撑、下弦水平支撑。

Abstract: This paper mainly discusses some hotel conference center roof structure design ideas and methods. The hotel is located in the beautiful coastal areas, building plan as part of the overall design, the convention center roof design for planting roof. The roof with plane fan shaped modelling southwest direction hotel subject echo each other at a distance, the facade for three sections of roof jagged tilt shape, with the convenience of subject from the hotel look down planting roofing green plant landscape; Green roof is also at the same time meeting center thermal insulation of a efficient way. The convention center in the tight part of the roof, the width span column grid for (24 + 8) m. This engineering big span roof plant is different from general light the roof design way, using a combination of function and the architectural form two requirements, 2 4 m span roof in the plane steel truss, steel second beam and the composite floor slab structure system; 8 m span range consider reduce the construction cost, the conventional reinforced concrete beam, plate structure system. This paper focused on big span roof structure system of the selection of the planting, vertical support and XiaXian level of support arrangement, flat steel truss load calculation, a plane steel truss main design calculation results and steel structure component material selection of principle, steel structure component derusting, coating, assembly, transportation and pile up requirements, etc.

Key Words: flat steel truss, vertical support, support level.

中图分类号：TB482.2文献标识码：A 文章编号：

工程概况：

本工程位于三亚市风景优美的沿海地区，是集酒店、公寓、会所、别墅群等于一体的综合公建项目。该项目总建筑面积约为13万平米，其中酒店主体总建筑面积约为9万平米。酒店主体部分主要功能分区为车库、会议中心、服务用房、管理用房、设备用房、行政办公室、大堂及客房等。其中会议中心坐落于酒店主体车库上方，酒店主体客房外西南方向。

作为建筑总体设计的一部分，会议中心屋顶设计为种植屋面，使屋顶绿植景观与周围自然环境完美的融合在一起。因酒店主体部分呈圆弧形，环拥大海而立，会议中心屋顶造型与之呼应，当客人站立于会议中心东北方的酒店客房走廊向下俯瞰时，能看到环拥酒店主体的三段扇形绿植屋顶，见图1。从会议中心侧立面上看，屋顶呈三段锯齿状，见图2。会议中心由宴会厅、宴会厅前室和后勤用房等组成，顶层功能分区为宴会厅上空和后勤用房两部分。其中宴会厅宽24米，长48米，吊顶下室内净高不小于8米；后勤用房紧邻宴会厅布置，结构柱间距为8米，内部可灵活分隔成小房间。

自然条件：

三亚地区抗震设防烈度为6度，地震基本加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。50年一遇基本风压为0.85KN/m2，地面粗糙度类别为A类；不考虑抗冻及雪荷载。本工程地基场地类别为II类，属于非液化地基土，抗浮水位绝对标高为4.000m。

会议中心屋顶结构设计思路与方法：

（一）、屋顶结构体系：

从前述工程概况中可知，会议中心种植屋面沿房屋短向的柱网间距为（24米+8米）；沿长向立面呈三段锯齿形，每段水平投影长度为16米，总长为48米。从经济性角度考虑，柱网间距为8米的范围内及其相邻外悬挑部分种植屋面，采用钢筋混凝土梁板体系。宴会厅区域内，屋盖长为48m,宽度为24m,长宽比为2；不适宜采用钢网架屋面；因宴会厅跨度较大，不适宜采用自重较大的工字型或箱形实腹钢梁。如三段屋面分别采用网架结构，每段网架长24m，宽16米，长宽比为1.5，较为合理；但因宴会厅使用功能需要，宴会厅内部不能增加竖向构件，在每段屋面间尚需增设平面钢托架，用以支承钢网架，才能实现建筑方案设计的要求。为了减轻屋顶结构自重，并减少结构构件类型，本工程中采用平面钢桁架。

宴会厅屋面结构构件具体布置如下：沿房屋长向布置5道24米跨平面钢桁架，每两道钢桁架间距离为8米，钢桁架顶标高随屋面坡度（扣除混凝土楼板及压型钢板厚度）。屋架上翼缘（或下翼缘）相应节点上布置与宴会厅长向平行的工字形钢梁，每根钢梁跨度为8m（即为一个屋架间距）, 与屋架翼缘采用铰接连接方式，钢梁顶标高随屋面坡度（扣除混凝土楼板及压型钢板厚度）；钢梁上布置二级工字形钢次梁，间距为2米；沿房屋纵向铺设压型钢板（规格为YX-70-200-600-1），压型钢板以钢梁、屋架为支承，压型钢板上铺100mm厚钢筋混凝土非组合楼板。宴会厅屋面结构平面图及剖面见图1，图2；选用非组合楼板的优势，一方面可解决种植土重屋面的承重问题，另一方面混凝土楼板可避免钢结构构件与水直接接触，提高钢结构构件的耐久性能。

平面钢桁架与其平面外布置垂直支撑、下弦水平支撑及系杆，形成空间受力体系；因为屋架上翼缘采用非组合楼板，与上弦水平支撑作用相同；所以仅需布置下弦水平支撑即可。下弦水平支撑布置在每段锯齿形屋面靠屋脊的一跨内；各段屋面通过非组合楼板和下弦水平支撑协同各榀平面钢桁架工作，形成稳定的空间受力体系。结合本工程特点，屋面垂直支承仅布置于屋架端部即可。屋面垂直支撑布置见图2； 下弦水平支撑布置见图3。

屋顶扇形平面通过出挑平面钢桁架上翼缘的一端来实现。因屋架端部上翼缘出挑长度较大（分别为2170mm和4170mm），导致靠近屋架端部的腹杆压力有所增加，设计中对端部竖杆及斜腹杆截面适当加强，节点连接焊缝、螺栓等均按实际受力及构造要求考虑。钢桁架通过端柱与钢筋混凝土柱连接，屋架两端铰接支承于钢筋混凝土柱顶。

图1 宴会厅屋面结构平面图

图2 宴会厅屋面结构剖面图

图3 屋架下弦水平支撑布置图

（二）钢桁架荷载计算:

在建筑物整体计算时，已考虑风荷载和地震作用对建筑物的影响，故屋架设计时，不再考虑风荷载对平面钢桁架的影响，而仅考虑结构自重、花圃土石重量及屋顶花园活荷载。

作用于屋架上、下弦处的集中荷载分别按永久荷载和可变荷载计算。

永久荷载分别为种植土、压型钢板、混凝土楼板及工字形钢梁自重。考虑屋架跨度较大，种植屋面考虑建筑做法及填土总厚度不得大于500mm,保证最小种植厚度要求即可，尽量减小附加于屋架的荷载效应。经统计后，种植土部分（含建筑做法及土重）荷载值为12KN/m2。100mm厚钢筋混凝土楼板自重为25*0.1=2.5KN/m；压型钢板YX-70-200-600-1 展开长度为1000mm，自重为0.0785KN/m2；除钢梁自重以外，永久荷载合计为14.58KN/m2。屋面附加吊挂荷载按1.0KN/m2考虑。

依据《建筑结构荷载规范》[1]第4.3.1条，屋顶花园可变荷载（不含花圃土石自重）为3KN/m2,本工程中取为4.0KN/m2。

按非组合楼板下钢次梁的布置方式，每个屋架翼缘上均会承担其两侧1米范围内的楼面均布荷载；故平面钢桁架支承钢次梁的节点处负荷面积取为4*6=24平方米。屋架节点处集中荷载计算如下：

混凝土楼板及种植土自重14.58*24=350KN；

一级钢次梁（H600X400X14X28）自重 2.35*8=18.8KN

二级钢次梁（H300X300X10X15）自重 0.92*4*3=11KN

附加吊挂荷载 1.0*4*8=32KN

永久荷载合计 412KN

可变荷载： 4*24=96KN

屋架上翼缘均布荷载计算如下：

永久荷载：混凝土楼板及種植土自重 14.58*2＝29.16KN/m

可变荷载： 4*2=8KN/m

当屋架上、下翼缘分别承担高低跨楼面荷载时，集中荷载和均布荷载分别均分在上下翼缘上。屋架上翼缘悬挑端荷载简化为节点弯矩及竖向力作用屋架端节点处，详见荷载简图。荷载简图见附图4，附图5。

图4 钢桁架恒荷载简图

图5 钢桁架活荷载简图

（三）钢桁架主要计算结果:

本工程采用中国建筑科学研究院编制的2010版PKPM系列计算软件“钢结构 桁架”计算。钢桁架安全等级按二级设计，设计使用年限按五十年。

依据《钢结构工程制作安装便携手册》[5]第159页，平面钢桁架矢高一般可取计算跨度的1/6~1/12，本工程中钢桁架矢高取1900mm，约为计算跨度的1/12左右。矢高为上下翼缘杆件型心间距离，钢桁架上翼缘顶面至下翼缘底面间总高为2500mm。经计算，各杆件强度计算应力比、平面内（外）稳定应力比均不大于0.9, 均能满足设计的要求；各杆件长细比均小于60，满足《钢结构设计规范》[2]第5.3.8条对桁架受压构件容许长细比不大于150的要求。屋架下翼缘竖向变形值约为52mm，预先起拱量按50mm取用。主要结果如下：

平面钢桁架几何尺寸简图见图6；内力简图见图7；杆件编号见图8，杆件规格见表1；

图6 平面钢桁架几何尺寸简图

图7 平面钢桁架内力简图

图8 平面钢桁架杆件编号简图

钢桁架上下翼缘高度的选取原则：第一，因钢桁架平面外钢次梁截面高度为600mm；钢次梁与屋架上、下翼缘采用摩擦型10.9级高强度螺栓铰接连接，考虑受力、施工安装要求，将屋架上、下翼缘的高度取为600mm。第二，因种植屋面造型要求，钢屋架上翼缘尚有2170mm或4170mm出挑，从出挑部分的受力及变形要求来说，上翼缘截面也不宜取的过小。

四、钢结构材料、除锈、涂装、制作、运输及堆放等要求：

材料选用：

1.1承重结构（屋架、钢梁及支撑系统等）采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

1.2屋架及支撑系统的钢材应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700规定采用Q345钢 。

1.3焊条采用现行国家标准《碳钢焊条》GB/T5117中规定的E50XX型系列焊条。

1.4普通螺栓采用C级螺栓，性能等级为4.6或4.8级。锚栓采用现行国家标准

GB/T700规定的Q345钢制成。

1.5角钢型号按现行国家标准《热轧等边角钢尺寸、外型、重量及允许偏差》GB/T9787和《热轧不等边角钢尺寸、外型、重量及允许偏差》GB/T9788选用。

2、制作、运输和堆放：

2.1钢构件按现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》[3]GB50205进行制作、安装和验收。焊缝质量等级除全焊透的对接焊缝为二级外，其余焊缝应符合外观检查三级标准的要求。

2.2构件拼接接头必须与结构构件截面等强。

2.3杆件下料时，必须进行1：1放样，节点板尺寸应满足焊缝长度要求。

2.4运输单元：屋架优先采用整体运输，也可半跨运输，屋架的组装应在平整的场地上进行。构件运输过程中应妥善绑扎，防止变形和损坏。屋架应垂直排列，放置在平整的场地上。屋架在制作时，应按设计要求起拱50mm。

2.5屋架在吊装时应采用临时加强措施以防止侧向变形。屋架就位支撑安装完毕后方可屋面,屋面施工后不得在屋架任何部位（支座底板除外）进行焊接。

2.6所有支撑、系杆与屋架上、下弦除用螺栓连接外还应加连接焊缝。

2.7构件堆放：堆放场地应平整紧实，排水良好，以防因地面不均匀下沉造成构件裂缝或倾倒损坏。构件堆放应平稳，底部应设置垫木，避免搁空而引起翘曲。垫点应接近设计支承位置。

3 所有构件在制作检查合格后，应对其表面进行除锈和涂装。

3.1在油漆或涂防火涂料的部位，其表面均应进行喷射除锈，除锈等级应符合《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB8923-88）中有关规定，一般为Sa2（1/2）级。

3.2喷涂防火涂料的构件表面，仅涂无机富锌底漆,漆膜总厚度不小于75μm（微米）。

3.3不喷防火涂料的构件表面，喷涂无机富锌底漆及面漆，漆膜总厚度，室内不小于125μm，室外不小于150μm，面漆的颜色应由设计、施工、监理、建设等单位共同研究决定。

3.4涂装施工时环境温度不低于5℃,空气相对湿度不大于85℃。不得在雨、雾天气进行施工。

3.5防火涂料的选用原则：屋架为室内隐蔽钢结构，当规定耐火极限在1.5h以上时，应选用厚涂型钢结构防火涂料；当选用防火涂料分为底层和面层涂料时，两层涂料应相互匹配。且底层不得腐蚀钢结构，不得与防锈底漆产生化学反应，面层若为装饰涂料，选用涂料应通过试验验证。

3.6涂装、除锈等要求尚应符合《钢结构工程施工质量验收规范》 [5]中所规定的要求。

结论：

该酒店会议中心屋面属于大跨度重型种植屋面与一般跨度的种植屋面的结合体。一般来说，通常大跨度屋面设计为轻型屋面较为经济合理。但因本工程中要求做为绿植屋面与周边环境融为一体，且屋面建筑造型从平面和剖面上均有所变化，所以屋面设计时需要从受力和造型两方面综合考虑。本工程针对种植屋面的承重要求，采用平面钢桁架、钢梁与钢筋混凝土非组合楼板体系。通过出挑平面钢桁架钢桁架上翼缘满足建筑平面形状变化的要求；通过调整各榀钢桁架顶标高，形成三段错落的锯齿形屋面，即每两段屋面间的一榀钢桁架上、下翼缘分别支承其两侧屋面结构构件。结合结构柱网尺寸，8米跨度范围内采用钢筋混凝土梁板结构体系。经综合分析，采用平面钢桁架和混凝土屋面相结合的屋面结构是经济合理的，且具备可行性的。

参考文献：

[1] 国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003 [S]. 北京：中国计划出版社，2003.

[3] 国家标准《建筑钢结构施工质量验收规范》GB50205-2001 [S]. 北京：中国计划出版社，2001

[4] 行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》 JGJ81-2002 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002

[5] 本书编委会编，《钢结构工程制作安装便携手册》[M]. 北京：中国建材工业出版社，2007.1

[6] 国家建筑标准设计图集《轻型屋面三角形屋架》05G5170.北京：中国建筑标准设计研究院发行。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。