[摘要] 空間桁架整體剛度好，整體穩定性能強。由于其固有的結構性能，在大跨度結構中有很好的適用性。矩形鋼管截面剛度合理，構造、加工制作簡便。大跨度連廊采用矩形鋼管空間桁架能取得很好的結構效能。通過本工程的設計實踐，覺得《鋼結構設計規范》GB50017-2003中第10.3.4條可以就矩形鋼管直接焊接節點設計作一些細化和補充。

　　[關鍵詞] 空間桁架,矩形鋼管,大跨度連廊

　　一、工程概況

　　維斯塔斯風力發電設備(中國)有限公司葉片二期擴建項目位于天津經濟技術開發區西區。項目管理單位為丹麥諾和諾德(天津)工程有限公司。本工程已于2007年竣工。本場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第一組，場地特征周期值為0.45s。場地土為中軟土，場地類別為Ⅲ類，場地屬非液化場地，對建筑抗震屬不利地段。基本風壓0.55 kN/ m2(50年重現期)，基本雪壓0.35 kN/ m2 (50年重現期)。本工程中，新建辦公樓(COMMOM BLDG.)位于已建成的葉片一期辦公區及生活間(OFFIC & LIVING AREA)東側，相距13m(軸線距離)。新建辦公樓和原有葉片一期辦公區及生活間均為混凝土框架結構。業主要求在這兩座建筑物之間建造一座架空連廊，形成凈寬2m的人行通道。連廊樓面建筑標高4.0m，檐口高度7.1m。連廊的結構平面尺寸為：長12.04m，寬2.12m(軸線距離)。出于人性化考慮，業主要求連廊采用地板采暖。

　　二、輕鋼結構建筑

　　建筑從立面美學效果考慮拒絕連廊自身有外露立柱落地，從而給結構設計造成了一定難度。由于不能立柱，連廊自身所受重力只能分別傳給兩端與其相連的新建辦公樓和一期辦公區及生活間。而原一期辦公區及生活間設計并沒有考慮承受連廊荷載。為此，要求盡量減輕連廊自重，鋼結構成為首選。設計采用了輕鋼結構建筑，樓板采用鋼鋪板，屋面為輕鋼屋面，兩側外立面采用全玻璃幕。連廊整體凸顯出“輕”的概念。連廊在與一期辦公區及生活間連接處，為了避免給原有框架梁產生不利影響，設計了支座鋼梁將連廊荷載直接傳給原有框架柱。在原有框架柱上通過喜利得植筋設置鋼牛腿，支座鋼梁與該鋼牛腿連接。連廊與新建辦公樓連接處，在新建辦公樓的框架柱上預留埋件，其上焊接鋼牛腿，連廊荷載通過支座鋼梁傳給該鋼牛腿。

　　在確定連廊樓面做法時，丹麥建筑師最初擔心鋼鋪板太輕，行人走動時可能引起樓板顫動，要求采用壓型鋼板上澆注100~120厚混凝土的方案，同時也便于地板采暖。而這顯然與本工程要求盡量減輕荷載相矛盾。通過初步計算也發現此方案的結構自重太重，超出了原有一期辦公區及生活間的框架柱及其下基礎的承載能力。為此，改進了樓板做法，采用6mm厚鋼鋪板上鋪20mm厚抗壓強度為300KPa的擠塑泡沫保溫板，其上再澆注50mm厚水泥砂漿，砂漿中間敷設一層電熱絲，最上面鋪2～3.4厚卷裝環保亞麻地板。這樣既能防止樓板顫動又滿足了地板采暖的要求。

　　在確定連廊屋面做法時，摒棄了輕鋼結構建筑常用的屋面鋼梁、鋼檁條、鋼屋面板的方案，采用屋面鋼桁架構件上直接鋪設全防水倒置彩鋼巖棉夾芯屋面板，從而保證了輕屋面同時取得了節能環保的要求。

　　三、空間桁架結構

　　為了保證連廊整體的空間剛度，采用了鋼矩形管空間桁架結構體系，由四個平面桁架在空間圍合而成。底面為樓面標高的平面桁架，頂面為屋面標高的平面桁架，正面和背面分別為兩立面桁架。問題是由于連廊固有的建筑功能，兩端須開口形成通道，從而無法形成一個空間剛度更強的空間六面盒式結構。此時，連廊可視為如下圖一所示的空間四面盒式結構。顯然，若忽略各平面相交處的連接剛度，即假定各相鄰平面為“線鉸”連接，則該四面盒式結構將成為空間幾何可變體系，側向剛度為零，無法承受任何橫向荷載。可以想見，雖然各平面相交處實際按剛性構造連接，但其仍將無法滿足結構整體對橫向抗側剛度的要求。通過PKPM-STS程序分析，在風荷載作用下結構橫向層位移為30.7mm，層間位移角為1/99，不滿足規范要求。為此，將正面和背面兩立面桁架的四根端豎桿在連廊屋面標高處用角鋼“夾住”，角鋼通過埋件固定在門洞邊的混凝土柱上，從而在連廊屋面四個角部限制空間四面盒式結構的頂部橫向側移。連廊樓面標高平面桁架、屋面標高平面桁架、正背立面桁架以及典型詳圖如下所示。

 

　　四、下降式斜桿的平行弦桿桁架

　　在立面桁架設計時，優選了如下圖所示的下降式斜桿的平行弦桿桁架。在上弦單位節點荷載作用下，各桿件的軸力標注如圖。此時，其受力特點為：上弦受壓，下弦受拉，豎腹桿受壓，斜腹桿受拉，受拉端斜桿軸力最大，合理的發揮了桿較長者承受拉力的優越性。在節點荷載作用下，整個平行弦桿桁架受力簡潔明確。

　　五、《鋼結構設計規范》GB50017-2003(以下簡稱《鋼規》)第10.3.4條的理解

　　矩形管節點主要有以下幾種破壞模式：主管平壁因形成塑性鉸線而失效，主管平壁因沖切而破壞或主管側壁因剪切而破壞，主管側壁因受拉屈服或受壓局部失穩而失效，受拉支管被拉壞,受壓支管因局部失穩而失效，主管平壁因局部失穩而失效;有間隙的K、N形節點中，主管在間隙處被剪壞或喪失軸向承載力而破壞等。有時幾種實效模式同時發生。《鋼規》第10.3.4條根據國內外相關資料和實驗數據對矩形管節點作了較詳細的規定，給出了相關計算公式，對設計提供了指導。但筆者在應用時曾有如下幾點疑惑：

　　1.該條文規定“……為保證節點處矩形主管的強度，支管的軸心力Ni和主管的軸心力N不得大于下列規定的節點承載力設計值：……”。接著該條文對支管在節點處的承載力設計值Nipj的計算公式按節點形式(T/Y和X形節點、有間隙的K形和N形節點以及搭接的K形和N形節點)分別予以列出。對上述條文，筆者曾一度產生歧義，誤認為關于節點承載力須同時滿足以下兩個不等式：Ni≤Nipj和N≤Nipj。后經查閱文[3]的相關資料，才得知此處是須滿足Ni≤Nipj和N≤Npj。而不等式“N≤Npj”僅適用于有間隙的K形和N形節點。該條文對有間隙的K形和N形節點有如下規定：“……2)節點間隙處的弦桿軸心受力承載力設計值為：Npj=(A-αv Av)f (10.3.4-12)……”。筆者認為此處如果規范對這“N≤Npj適用于有間隙的K形和N形節點”加以明確就更能讓設計人員理解透徹了。

　　2.該條文規定“……3 支管為矩形管的搭接的K形和N形節點(圖10.3.4d)：搭接支管的承載力設計值應根據不同的搭接率Ov按下列公式計算(下標j表示被搭接的支管)：

 

　　此處，筆者也曾疑惑，上式中Njpj如何計算。后查閱文[3]的相關資料，才知道Njpj同樣通過公式(10.3.4-14)~ (10.3.4-16)計算。同樣的，如果規范在此對Njpj計算方式加以明確就能讓設計人員理解更透徹些。

　　3.對如下圖所示的三角形腹系再增加豎桿(或斜桿)的屋架節點，《鋼規》沒對其加以詳述。筆者覺得以后《鋼規》升版時值得將其加以補充，以利于指導設計實踐，因為這樣的三角形腹系再增加豎桿(或斜桿)桁架節點在實際工程設計中很常見。通過查閱相關資料，發現文[3]對此情況下的節點承載力計算作了簡要介紹：計算其容許的腹桿內力時，仍可按K、N節點公式進行，但應用(b1+b2+b3)/3b代替(b1+b2)/2b。此時，驗算原則為：在同一節點內應控制任意兩同號腹桿內力豎向分量之和應小于等于另一異號腹桿節點允許承載力的豎向分量。

 

　　參 考 文 獻

　　[1].《鋼結構設計規范》(GB50017-2003).中國計劃出版社，2003.

　　[2].《建筑結構靜力計算手冊》. 中國建筑工業出版社，1974.

　　[3].包頭鋼鐵設計研究總院、中國鋼結構協會房屋建筑鋼結構協會.《鋼結構設計與計算》第二版.機械工業出版社，2006.