鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘要：盛泰名人溫泉高爾夫酒店溫泉泳浴中心是一個平面尺寸為98.5mx53.5m的橢球形殼體，殼體以短軸雙管平面桁架為主受力構件，長軸雙管平面桁架為次受力構件，用縱向系桿及橫向交叉支撐增加其整體性。本文以工程實例為依據，簡要介紹了大跨度橢球殼雙管平面桁架的設計要點及連接的構造處理，對類似工程具有參考價值。
關鍵詞：大跨度、橢球殼、管桁架、管連接
一、工程概況
盛泰名人溫泉高爾夫酒店位于河北省滄州市渤海新區中捷產業園區，是一個集會議、度假、旅游、高爾夫于一體的高標準、綜合性五星級酒店。溫泉泳浴中心是其重要組成部分，建筑外形為橢球形殼體，殼體圍護全部采用隱框玻璃幕墻，其平面尺寸為長軸98.5m、短軸53.5m，矢高21.85m，見圖1。
業主的要求是在保證結構安全穩定的前提下盡量減少桿件，使其內部寬敞、明亮、通透，讓賓客在泡溫泉、游泳時能充分享受室外的陽光和綠色，同時能和高爾夫球場及園區綠化融為一體。為此，橢球殼采用雙向平面管桁架結構體系（見圖2），這種結構形式給結構設計帶來了很大的挑戰。
圖1 效果圖
圖2 整體結構圖
二、結構選型及布置
對此類大跨度球殼常用的結構形式為四角錐網殼及空間管桁架。網殼又有螺栓球網殼與焊接球網殼之分，螺栓球網殼在溫泉泳浴條件下的防腐蝕性能較差，二者桿件較多，都不滿足本工程的使用需求。網殼又可分為單層、雙層及三層網殼，顯然，本工程已超出單層網殼的適用范圍，雙層、三層網殼桿件較多，達不到通透的要求。
經與業主多次溝通，最終采取了以短軸受力為主、長軸受力為輔的雙管平面桁架結構形式，同時不再設置檁條系統，隱框玻璃幕通過連接件直接與上弦桿相連。這樣既保證了結構的安全性，又滿足了業主所預期的桿件數量少，整體通透的效果。
橢球殼沿短軸方向設置19榀間距約6m的雙管主桁架（柱腳收于一點）和6榀單管主桁架，沿長軸方向設置11榀雙管次桁架及9道上弦系桿，為增加結構的整體性，又沿長軸方向設置了6道橫向交叉支撐，見圖3。
另外，業主還對結構厚度提出了要求，上下弦桿總厚度不得大于2m。為滿足此使用需求，上下弦桿中心線最大間距定為1.8m。
圖3 結構平、立、剖面圖
三、設計荷載
恒荷載：玻璃幕（TP8+12A+TP6+1.52PVB+TP6中空鋼化LOW-E夾膠玻璃及連接件）
0.62kN/m2；下弦吊掛0.30kN/m2；結構自重由程序自動計算。
屋面活荷載：0.5kN/m2（基本雪壓0.3kN/m2），考慮活荷載半跨不利布置。
基本風壓：0.4kN/m2。
溫度作用：極端氣溫-19℃～+41℃。
地震作用：丙類、6度、第二組、0.05g、Ⅱ類場地。
四、結構分析
此類橢球殼的特點是整體結構由長軸中部向端部逐漸收縮，并且越接近長軸端部收縮的越快，故每榀主、次桁架的跨度、高度均不相同，這就導致了采用單榀計算模型無法模擬結構的實際受力狀況，本工程采用整體分析模型，使風荷載、側向支撐、溫度作用等均可較真實地反應到模型上，分析更加準確，又可對用鋼量起到優化作用，降低工程造價。本設計采用韓國通用有限元分析軟件MIDAS/GEN進行分析設計，中國建筑科學研究院PMSAP軟件進行校驗。
荷載組合按《建筑結構荷載規范》執行，同時考慮溫度、地震作用。此類結構需要注意溫度作用對結構的應力有著較大影響，不能忽視。本工程考慮整體升溫、整體降溫兩種溫度工況，以結構安裝完成時間為分界點，升溫幅度為+10℃～+41℃，降溫幅度為+10℃～-19℃。地震作用按《建筑抗震設計規范》考慮水平及豎向地震的作用。
經過計算分析，鋼管的強度應力較小，主要還是平面外穩定起控制作用，考慮到玻璃分格等因素，主桁架上弦平面外計算長度通過次桁架及縱向系桿控制在3.6m以內，下弦通過次桁架及隅撐亦控制在3.6m以內。另外，整體結構最大豎向撓度出現在橢球殼中間部位，控制在1/600以內。
分析結果如下：
1.大部分桿件的應力比：強度0.3～0.6，平面內穩定0.4～0.8，平面外穩定0.4～0.9；
2.最大豎向撓度：恒載52.15mm（1/1026）、活載23.43mm（1/2283）；
3.最大水平位移：橫向風載29.8mm、橫向地震18.9mm。
五、地基基礎
本工程場地土層承載力低、壓縮性高，需進行地基處理。根據當地實際情況，采用預制混凝土方樁進行地基處理，方樁直徑200mmx200mm，在基礎平面內矩形布樁，樁距1100mmx1025mm，褥墊層采用250mm厚級配砂石，處理后的復合地基承載力經現場載荷試驗能達到220Kpa的設計要求。
本工程因地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性、對鋼筋具有微腐蝕性，所以對基礎、基礎連梁及地面以下混凝土結構表面采用涂環氧瀝青厚漿型涂料兩遍，以解決地下水對混凝土及鋼筋的腐蝕問題。
此類拱殼結構的落地柱腳水平剪力較大、軸力較小，所以基礎設計應以抵抗水平剪力產生的傾覆彎矩為主。綜合考慮各種因素，本工程最終采用了獨立基礎，基礎平面尺寸隨主桁架跨度及高度的變化而不同，基礎埋深2.2米，基礎頂部沿橢圓周設混凝土連梁。基礎最大平面尺寸為7.0mX4.6m，基底反力最大191Kpa、最小10Kpa，基礎頂部預留抗剪槽，見圖4。
圖4 獨立基礎
六、材質與截面
管桁架上、下弦桿間高度受業主使用需求的限制，需控制在2m以內，為使設計更加經濟合理，管桁架材質均采用Q345B。鋼管可根據當地實際情況及工程造價，由施工方選擇高頻焊接鋼管或熱軋無縫鋼管。
主桁架與次桁架弦桿的管徑保持不變，壁厚根據內力的大小逐漸變化，但盡量少設接頭。鋼管接頭可根據壁厚分別選擇等厚連接和不等厚連接，兩種連接均采用內襯管方式（見圖9、圖10）。桁架腹桿長度都在2.4m以內，所以管徑和壁厚都保持不變。橫向交叉支撐采用直徑35mm的圓鋼拉索，為只受拉單元。截面規格見表1。
圖5 橢球殼中部構件圖
表1 桁架跨度及截面
七、連接構造
主桁架弦桿貫通，腹桿及次桁架弦桿等相貫焊接在主桁架弦桿上，鋼管的相貫面采用五維或六維相貫線自動切割機切割，切成帶變化剖口并與主管外表面完全吻合的空間曲線形狀，然后焊接。《鋼結構設計規范》給出了相貫鋼管之間的承載力計算公式，但目前國內外對相貫處管壁的局部強度研究依然不夠十分成熟，尤其是受力較大的部位，僅憑計算結果很難用于實際工程，設計上通常采用加強套管或加強板來加強局部壁厚，以解決管壁局部受力較大的問題。
本工程除按規范公式驗算承載力外，更主要的是采取加強套管的方式來加強主桁架與次桁架等連接節點，從構造上對重要節點予以加強。為保證加強套管與主管連接牢固，在加強套管中部間隔100mm、開d=20mm的孔與主管塞焊，焊后磨平，見圖6。
圖6 加強套管節點
橫向交叉支撐采用直徑35mm的圓鋼拉索（不銹鋼），與主次桁架上弦相連，拉索自帶張緊裝置，見圖7、圖8。
圖7 交叉支撐與弦桿連接
圖8 交叉支撐與柱腳連接
鋼管間拼接采用內襯管的方式，開坡口全熔透等強連接，見圖9、圖10。
圖9 等厚連接
圖10 不等厚連接
雙管主桁架柱腳采用半球節點，上下弦桿與半球相貫連接，半球通過錨栓與基礎相連，半球內設米字形加勁肋，半球及肋板厚均取30mm，見圖11、圖12。
圖11 柱腳平面
圖12 柱腳剖面
玻璃幕墻采用TP8+12A+TP6+1.52PVB+TP6中空鋼化LOW-E夾膠玻璃，玻璃通過鋁合金型材及鋼管連接件與上弦相連，鋁合金型材及鋼管表面均進行氟碳噴涂處理，連接節點見圖13。
圖13 玻璃幕與上弦連接
八、防腐蝕設計
溫泉泳浴條件下鋼結構的防腐涂裝是個應引起重視的問題，此種條件下鋼構件的腐蝕速率較快，如果防腐蝕措施采取不當，結構的安全性、耐久性都將大大折扣。本工程采取對構件徹底除銹并噴涂氟碳面漆的措施來解決溫泉泳浴條件下的防腐問題。具體做法如下：鋼構件均進行拋丸（噴砂）除銹處理，修補時采用手工機械除銹，除銹等級達到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》 (GB8923-88)中Sa3級和St3級的要求，所有鋼管構件外露端均設封頭板，并采用連續焊縫密閉，使內外空氣隔絕。涂裝要求見表2。
表2 防腐蝕涂裝要求
九、結語
1.本工程于2011年5月完工，其整體效果達到業主預期設想，成為當地標志性建筑。
2.本文根據工程實例，對大型橢球殼雙管平面桁架結構設計做了簡要介紹，從本例及近些年的工程實際中可以得出雙管平面桁架特別適合于大跨度、整體結構簡潔通透、耐腐蝕性要求較高的大型公共建筑，如溫泉泳浴廣場、車站、航站樓等。
主 要 參 考 文 獻
1. 尹敏達、張躍峰、弓曉蕓等.《輕型鋼結構房屋新技術與新產品的應用》，北京.中國建筑工業出版社.2011
2. 李星榮、魏才昂、丁峙?、李和華.《鋼結構連接節點設計手冊》（第二版），北京.中國建筑工業出版社.2009
3. 中國建筑科學研究院.《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001），北京.中國建筑工業出版社.2002
4. 北京鋼鐵設計研究總院.《鋼結構設計規范》（GB50017-2003），北京.中國計劃出版社.2003
作者簡介：
王六合 男，1979年11月出生，2004年7月畢業于吉林建筑工程學院，學士學位，工程師。在圣帝國際建筑工程設計有限公司鋼結構所從事鋼結構設計工作。
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