时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要：较为详细的介绍了该收费站雨棚的结构设计过程，包括结构选型，结构分析，膜结构找形及整体结构计算；对于拉索节点及相贯节点进行了简单介绍。应用空间钢结构软件3D3S对结构进行分析，设计方法可供同类工程参考。
关键词：结构选型，膜找形，节点设计
1工程概况
本工程为某收费站雨棚，采用的是钢骨架支撑张拉膜结构，下部位于混凝土基础上，膜材采用法国FerrariPrecontraintT系列产品，选用1502T型号，覆盖面积约为136.8m2。钢骨架采用钢管桁架体系，由钢管柱，主次桁架梁，拉索，以及柱间支撑组成。桁架最大厚度为1.5m,整个结构的纵向跨度为35.8m，横向跨度为12m，结构总高度为20m。工程竣工后如图1所示：
图1建筑效果图
2结构选型
桁架梁采用空间三角形钢管桁架，纵向有三榀主桁架，间距各为6m，横向有七榀次桁架，最外侧次桁架距内侧次桁架的距离为4.7m，内侧各桁架之间的间距为4.4m。所有杆件均采用无缝钢管，除拉索外，所有杆件节点均为相贯面连接。该结构外侧四根柱子由上下两部分组成，柱上半部分由于受拉索的作用以及造型美观的需要，采用格构式。下半部分只需满足结构受力需要，采用钢管柱即可。桁架两侧悬挑长度为12.5m，如仅依靠桁架自身来控制结构的强度和变形，则桁架的截面和杆件用料势必要做得很大，既不经济而且影响建筑效果。设计考虑采用附加拉索对雨棚悬挑桁架形成支撑，较好的控制了结构体系的变形。使建筑造型简洁明快，钢材用料大为降低。由于雨棚的主体构件单元类似于平面受力体系，由钢管柱、桁架和拉索组成的构件，在纵横向具有较大的刚度。结构平面布置如图2、立面图如图3所示：
图2平面布置图
图3立面图
3结构静力分析与计算
本工程采用同济大学研发的钢结构设计软件3D3S9.0对整体结构和单元构件进行了计算分析。根据抗震规定[1]工程所在地区的场地土类别为Ⅱ，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.05g。基本风压0.76kN/m2，由于雨棚为大跨度结构，周边敞开未封闭，其上、下表面均受风的作用，风荷载分布较为复杂,因此结构计算分析的重点是分析风荷载的作用。根据\"荷载规范（GB50009—2001）[2]的要求,对主体骨架的计算具体分析的荷载组合工况如下：活载工况1为膜结构所受到的雪荷载，风载工况1，2，3，4分别为骨架结构所受到的东，西，南，北四个方向的风荷载，风载工况5为骨架受到的风吸力，风载工况6为骨架受到的风压力。
(1)1.35恒载+1.40x0.70活载工况1
(2)1.20恒载+1.40活载工况1
(3)1.00恒载+1.40活载工况1
(4)1.20恒载+1.40风载工况2
(5)1.20恒载+1.40风载工况3
(6)1.20恒载+1.40风载工况4
(7)1.20恒载+1.40风载工况5
(8)1.20恒载+1.40风载工况6
(9)1.00恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况2
(10)1.00恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况3
(11)1.00恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况4
(12)1.00恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况5
(13)1.00恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况6
(14)1.20恒载+1.20x0.50活载工况1+1.30水平地震
(15)1.00恒载+1.00x0.50活载工况1+1.30水平地震
(16)1.20恒载+1.20x0.50活载工况1+1.40x0.20风载工况2+1.30水平地震
(17)1.20恒载+1.20x0.50活载工况1+1.40x0.20风载工况3+1.30水平地震
(18)1.20恒载+1.20x0.50活载工况1+1.40x0.20风载工况4+1.30水平地震
(19)1.20恒载+1.20x0.50活载工况1+1.40x0.20风载工况5+1.30水平地震
(20)1.20恒载+1.20x0.50活载工况1+1.40x0.20风载工况6+1.30水平地震
根据上述条件、荷载及组合，采用3D3S9.0整体计算所得的结构自振周期及振型见表1，
振型周期（秒）
10.88625
20.62363
30.57638
40.35316
50.22684
60.21826
70.20777
80.19032
90.17154
计算结果表明，结构的最大位移为60mm，地震组合工况对结构不起控制作用，结构主要受风荷载组合工况的影响。风荷载作用下的变形是控制结构的主要因素。由计算确定的主要结构杆件截面如下：外侧四根钢管柱截面尺寸为351×10，中间的两根柱子受力较小，截面尺寸为273X8；主桁架上下弦杆管径为273×8无缝钢管；次桁架上下弦杆管径为180×6无缝钢管；主桁架和次桁架之间的腹杆管径按应力控制分别采用114×4。拉索截面尺寸为圆钢30。按此截面验算，桁架及柱的变形均能满足规范限值要求。
在模型中，膜面恒荷载取0.1kN/m2,膜面活荷载取0.3kN/m2，对于膜面找形，如果膜边界采用的是刚性边界，膜计算和骨架的计算可以分开进行，对骨架进行计算的时候可以把膜所受到的恒、活、风荷载直接加载到杆件中进行分析计算。如果膜采用柔性边界，膜和骨架要放在一起进行计算，不能单独进行膜找形和计算。本工程采用刚性边界，节点如图4所示，骨架计算完之后，单独取出一块膜单元，加载完之后进行找形，整体效果如图5所示：#p#分页标题#e#
图4刚性边界节点图5膜效果图
4节点设计
4.1相贯节点
本工程采用了圆钢管直接相贯焊接的节点连接方法，从而避免了传统设置节点板进行焊接或采用螺栓球节点的连接方法，这使得钢管结构轻巧、美观的特性能够充分得以展现。钢管相贯节点为主管连通，实用多维数控切割机对支管进行相贯线切割后，在连接到主管上。由于节点的承载力设计决定了整个结构体系的承载性能,桁架的腹杆与弦杆或腹杆与腹杆的连接，应具有良好的质量和足够的强度。为避免偏心，圆钢管桁架的杆件重心线应尽可能地在节点处交汇于一点，即偏心距e=0。本工程桁架结构主要节点类型为KK型搭接节点，此外，还有空间KT型节点以及个别汇交杆件较多、形式较为复杂的空间节点。对于空间KK型节点可按文献[3]的承载力设计公式进行计算，而对其他汇交杆件更多的节点类型，由于文献[3]中没有给出相应的设计公式，可在节点弹塑性非线性有限元的基础上参照空间KK型相贯节点的承载力公式进行设计[4]。
4.2拉索节点
拉索与柱子之间利用耳板和锚具进行连接（图6），对耳板厚度的取值按照文献[2]中连接节点处板件计算的公式进行取值，连接板件要满足抗剪切，抗拉要求。拉索及上部格构式柱内的腹杆都与焊接空心球进行直接焊接，焊接后的拉索与格构式柱形成整体，可以有效的将结构悬挑部分的荷载传给柱，从而较好的控制了结构体系的变形。
图6拉索节点
5结语
收费站雨棚采用附加斜拉索的桁架结构体系，结构整体上不仅流畅，美观，而且较好地改善了长悬臂桁架构件的受力性能，使结构总体用钢量显著降低。按屋面投影总面积计算，主体结构用钢量65kg/m2，取得了较好的经济效果。
参考文献：
1GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
2GB20011-2001建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
3GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
4李静斌，肖小凌，丁洁民.上海国际汽车会展中心钢管桁架展厅结构设计.
5夏劲松，索膜结构的构造理论和柔性天线的结构分析[D];浙江大学;2005年
