摘要：盛泰名人温泉高尔夫酒店温泉泳浴中心是一个平面尺寸为98.5mx53.5m的椭球形壳体，壳体以短轴双管平面桁架为主受力构件，长轴双管平面桁架为次受力构件，用纵向系杆及横向交叉支撑增加其整体性。本文以工程实例为依据，简要介绍了大跨度椭球壳双管平面桁架的设计要点及连接的构造处理，对类似工程具有参考价值。
关键词：大跨度、椭球壳、管桁架、管连接

一、工程概况
      盛泰名人温泉高尔夫酒店位于河北省沧州市渤海新区中捷产业园区，是一个集会议、度假、旅游、高尔夫于一体的高标准、综合性五星级酒店。温泉泳浴中心是其重要组成部分，建筑外形为椭球形壳体，壳体围护全部采用隐框玻璃幕墙，其平面尺寸为长轴98.5m、短轴53.5m，矢高21.85m，见图1。
      业主的要求是在保证结构安全稳定的前提下尽量减少杆件，使其内部宽敞、明亮、通透，让宾客在泡温泉、游泳时能充分享受室外的阳光和绿色，同时能和高尔夫球场及园区绿化融为一体。为此，椭球壳采用双向平面管桁架结构体系（见图2），这种结构形式给结构设计带来了很大的挑战。

 
图1  效果图




图2  整体结构图
 

二、结构选型及布置
      对此类大跨度球壳常用的结构形式为四角锥网壳及空间管桁架。网壳又有螺栓球网壳与焊接球网壳之分，螺栓球网壳在温泉泳浴条件下的防腐蚀性能较差，二者杆件较多，都不满足本工程的使用需求。网壳又可分为单层、双层及三层网壳，显然，本工程已超出单层网壳的适用范围，双层、三层网壳杆件较多，达不到通透的要求。
      经与业主多次沟通，最终采取了以短轴受力为主、长轴受力为辅的双管平面桁架结构形式，同时不再设置檩条系统，隐框玻璃幕通过连接件直接与上弦杆相连。这样既保证了结构的安全性，又满足了业主所预期的杆件数量少，整体通透的效果。
      椭球壳沿短轴方向设置19榀间距约6m的双管主桁架（柱脚收于一点）和6榀单管主桁架，沿长轴方向设置11榀双管次桁架及9道上弦系杆，为增加结构的整体性，又沿长轴方向设置了6道横向交叉支撑，见图3。
      另外，业主还对结构厚度提出了要求，上下弦杆总厚度不得大于2m。为满足此使用需求，上下弦杆中心线最大间距定为1.8m。

 
图3  结构平、立、剖面图

三、设计荷载
      恒荷载：玻璃幕（TP8+12A+TP6+1.52PVB+TP6中空钢化LOW-E夹胶玻璃及连接件）
0.62kN/m2；下弦吊挂0.30kN/m2；结构自重由程序自动计算。
      屋面活荷载：0.5kN/m2（基本雪压0.3kN/m2），考虑活荷载半跨不利布置。
      基本风压：0.4kN/m2。
      温度作用：极端气温-19℃～+41℃。
      地震作用：丙类、6度、第二组、0.05g、Ⅱ类场地。

四、结构分析
      此类椭球壳的特点是整体结构由长轴中部向端部逐渐收缩，并且越接近长轴端部收缩的越快，故每榀主、次桁架的跨度、高度均不相同，这就导致了采用单榀计算模型无法模拟结构的实际受力状况，本工程采用整体分析模型，使风荷载、侧向支撑、温度作用等均可较真实地反应到模型上，分析更加准确，又可对用钢量起到优化作用，降低工程造价。本设计采用韩国通用有限元分析软件MIDAS/GEN进行分析设计，中国建筑科学研究院PMSAP软件进行校验。
荷载组合按《建筑结构荷载规范》执行，同时考虑温度、地震作用。此类结构需要注意温度作用对结构的应力有着较大影响，不能忽视。本工程考虑整体升温、整体降温两种温度工况，以结构安装完成时间为分界点，升温幅度为+10℃～+41℃，降温幅度为+10℃～-19℃。地震作用按《建筑抗震设计规范》考虑水平及竖向地震的作用。
经过计算分析，钢管的强度应力较小，主要还是平面外稳定起控制作用，考虑到玻璃分格等因素，主桁架上弦平面外计算长度通过次桁架及纵向系杆控制在3.6m以内，下弦通过次桁架及隅撑亦控制在3.6m以内。另外，整体结构最大竖向挠度出现在椭球壳中间部位，控制在1/600以内。
分析结果如下：
      1.大部分杆件的应力比：强度0.3～0.6，平面内稳定0.4～0.8，平面外稳定0.4～0.9；
      2.最大竖向挠度：恒载52.15mm（1/1026）、活载23.43mm（1/2283）；
      3.最大水平位移：横向风载29.8mm、横向地震18.9mm。

五、地基基础
      本工程场地土层承载力低、压缩性高，需进行地基处理。根据当地实际情况，采用预制混凝土方桩进行地基处理，方桩直径200mmx200mm，在基础平面内矩形布桩，桩距1100mmx1025mm，褥垫层采用250mm厚级配砂石，处理后的复合地基承载力经现场载荷试验能达到220Kpa的设计要求。
      本工程因地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性、对钢筋具有微腐蚀性，所以对基础、基础连梁及地面以下混凝土结构表面采用涂环氧沥青厚浆型涂料两遍，以解决地下水对混凝土及钢筋的腐蚀问题。
      此类拱壳结构的落地柱脚水平剪力较大、轴力较小，所以基础设计应以抵抗水平剪力产生的倾覆弯矩为主。综合考虑各种因素，本工程最终采用了独立基础，基础平面尺寸随主桁架跨度及高度的变化而不同，基础埋深2.2米，基础顶部沿椭圆周设混凝土连梁。基础最大平面尺寸为7.0mX4.6m，基底反力最大191Kpa、最小10Kpa，基础顶部预留抗剪槽，见图4。

 
图4  独立基础

六、材质与截面
      管桁架上、下弦杆间高度受业主使用需求的限制，需控制在2m以内，为使设计更加经济合理，管桁架材质均采用Q345B。钢管可根据当地实际情况及工程造价，由施工方选择高频焊接钢管或热轧无缝钢管。
      主桁架与次桁架弦杆的管径保持不变，壁厚根据内力的大小逐渐变化，但尽量少设接头。钢管接头可根据壁厚分别选择等厚连接和不等厚连接，两种连接均采用内衬管方式（见图9、图10）。桁架腹杆长度都在2.4m以内，所以管径和壁厚都保持不变。横向交叉支撑采用直径35mm的圆钢拉索，为只受拉单元。截面规格见表1。

图5  椭球壳中部构件图 

表1 桁架跨度及截面

七、连接构造
      主桁架弦杆贯通，腹杆及次桁架弦杆等相贯焊接在主桁架弦杆上，钢管的相贯面采用五维或六维相贯线自动切割机切割，切成带变化剖口并与主管外表面完全吻合的空间曲线形状，然后焊接。《钢结构设计规范》给出了相贯钢管之间的承载力计算公式，但目前国内外对相贯处管壁的局部强度研究依然不够十分成熟，尤其是受力较大的部位，仅凭计算结果很难用于实际工程，设计上通常采用加强套管或加强板来加强局部壁厚，以解决管壁局部受力较大的问题。
本工程除按规范公式验算承载力外，更主要的是采取加强套管的方式来加强主桁架与次桁架等连接节点，从构造上对重要节点予以加强。为保证加强套管与主管连接牢固，在加强套管中部间隔100mm、开d=20mm的孔与主管塞焊，焊后磨平，见图6。

 
图6  加强套管节点

横向交叉支撑采用直径35mm的圆钢拉索（不锈钢），与主次桁架上弦相连，拉索自带张紧装置，见图7、图8。

 
图7  交叉支撑与弦杆连接 


图8  交叉支撑与柱脚连接

钢管间拼接采用内衬管的方式，开坡口全熔透等强连接，见图9、图10。

图9  等厚连接


图10  不等厚连接

双管主桁架柱脚采用半球节点，上下弦杆与半球相贯连接，半球通过锚栓与基础相连，半球内设米字形加劲肋，半球及肋板厚均取30mm，见图11、图12。

图11  柱脚平面 


图12  柱脚剖面

玻璃幕墙采用TP8+12A+TP6+1.52PVB+TP6中空钢化LOW-E夹胶玻璃，玻璃通过铝合金型材及钢管连接件与上弦相连，铝合金型材及钢管表面均进行氟碳喷涂处理，连接节点见图13。

 
图13  玻璃幕与上弦连接

八、防腐蚀设计
      温泉泳浴条件下钢结构的防腐涂装是个应引起重视的问题，此种条件下钢构件的腐蚀速率较快，如果防腐蚀措施采取不当，结构的安全性、耐久性都将大大折扣。本工程采取对构件彻底除锈并喷涂氟碳面漆的措施来解决温泉泳浴条件下的防腐问题。具体做法如下：钢构件均进行抛丸（喷砂）除锈处理，修补时采用手工机械除锈，除锈等级达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》 (GB8923-88)中Sa3级和St3级的要求，所有钢管构件外露端均设封头板，并采用连续焊缝密闭，使内外空气隔绝。涂装要求见表2。
 

表2 防腐蚀涂装要求

      九、结语
      1.本工程于2011年5月完工，其整体效果达到业主预期设想，成为当地标志性建筑。
      2.本文根据工程实例，对大型椭球壳双管平面桁架结构设计做了简要介绍，从本例及近些年的工程实际中可以得出双管平面桁架特别适合于大跨度、整体结构简洁通透、耐腐蚀性要求较高的大型公共建筑，如温泉泳浴广场、车站、航站楼等。

主 要 参 考 文 献

1. 尹敏达、张跃峰、弓晓芸等.《轻型钢结构房屋新技术与新产品的应用》，北京.中国建筑工业出版社.2011
      2. 李星荣、魏才昂、丁峙?、李和华.《钢结构连接节点设计手册》（第二版），北京.中国建筑工业出版社.2009
      3. 中国建筑科学研究院.《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），北京.中国建筑工业出版社.2002
      4. 北京钢铁设计研究总院.《钢结构设计规范》（GB50017-2003），北京.中国计划出版社.2003
      作者简介：
      王六合 男，1979年11月出生，2004年7月毕业于吉林建筑工程学院，学士学位，工程师。在圣帝国际建筑工程设计有限公司钢结构所从事钢结构设计工作。