某室内主题乐园为大型室内游乐场, 总建筑面积约为3.4万m², 建筑檐口高度为30m, 最高点建筑标高约为33.500m, 室内净高为24m。乐园内部以当地历史文化题材为主题, 将传统工艺以娱乐的形式表现出来。乐园外立面采用当地传统手工艺品折扇造型, 简洁大方 (图1) 。一层建筑地面标高为±0.000m, 主要为各种娱乐设施及部分商业、办公用房 (图2) ;局部设置二层, 二层建筑楼面标高为5.900m。乐园下部主结构形式为钢筋混凝土框架结构, 框架柱顶标高为24.000m。屋盖采用双坡倒三角形立体钢桁架, 长242.4m, 宽55.2~126.3m, 与下部结构采用成品固定铰支座连接。本工程设计使用年限50年, 结构安全等级为二级, 抗震设防类别为乙类。

　　 本工程采用混合结构形式, 框架结构周圈共设置45根混凝土柱, 最大柱距16.8m, 最小柱距9.73m, 柱截面尺寸1 400×1 000, 沿高度方向每隔6m设置一道混凝土梁, 共计4道 (图3) 。根据建筑功能要求, 屋盖结构底面距地面净空高度不小于24m。原建筑方案为保证室内空间通透性内部未设置屋盖支承柱, 即屋盖最大跨度125m, 最小跨度55.2m。经计算分析, 屋盖结构厚度、杆件尺寸、结构挠度均有较大幅度增加, 经济性较差, 同时也导致建筑净高不足24m。在不影响内部空间使用及美观前提下, 经与建筑专业协商, 中部增加两根屋盖支承柱, 屋盖最大跨度由125m减小为85.5m。

　　 在屋盖结构方案比选阶段, 还计算分析了如下几种方案:1) 平面桁架^[1]:杆件尺寸偏大, 屋盖主檩条跨度偏大, 整体稳定性较差;2) 网架结构^[2]:经济性较好, 但由于建筑未设置吊顶, 杆件暴露过于繁多, 焊接球等尺寸也过大;3) 张弦桁架结构^[3]:矢高不足, 室内净高不够, 同时屋盖下弦面设置运行轨道, 与索碰撞;4) 四边形立体桁架结构^[4]:下弦两根弦杆, 柱顶支座节点较难处理, 结构外观不满足建筑要求;5) 倒三角形立体钢桁架结构:外观简洁美观, 整体稳定性及经济性均较好。

　　 根据建筑外型及内部空间要求, 屋盖中部纵向设置一道倒三角形主桁架, 高度为7.5m, 上弦面宽度为6m, 最大跨度为85.5m;主桁架两侧设置变高度倒三角形次桁架, 与主桁架相交一端的高度为7.5m, 另一端最小高度为4.0m, 上弦面宽度为5m, 最大跨度为69.8m;周边设置封边倒三角形桁架, 为天沟及女儿墙提供受力支点, 并提高屋盖的整体性。次桁架每隔60m设置封闭水平支撑系统, 以增强屋盖整体性。中部两根支承柱采用直径1.8m的圆形钢管混凝土柱, 钢管壁厚40mm, 柱顶标高23.800m。结构平面布置图及典型剖面图见图4、图5。

　　 结构分析中考虑结构自重、屋面恒载、屋面活载、屋面雪载、下弦吊挂荷载、马道荷载、架空轨道车荷载、风荷载、温度作用及地震作用。具体取值如下:1) 结构自重:由计算程序按截面自动计入;2) 恒载:屋盖上弦永久荷载0.80k N/m² (不含主檩条重) , 天沟荷载8.4k N/m, 马道荷载2.5k N/m (马道结构、栏杆、电缆桥架等) ;3) 活载:屋盖上弦活载0.5 k N/m², 屋盖下弦活载9.0k N/m (马道活载、通风管道及其他吊挂荷载) ;4) 雪载:基本雪压S₀=0.65k N/m² (按50年重现期) , 考虑均布和不均布情况, 与活载不同时考虑;5) 架空轨道车荷载:作为活载考虑, 由设备厂家提供, 吊点间距为4.5m时, 每个吊点竖向荷载标准值为55k N, 横向水平荷载标准值为3k N, 纵向水平荷载标准值为4.5k N, 动力系数取1.2;6) 风荷载:基本风压w₀=0.40k N/m² (按50年重现期计算) ;地面粗糙度:B类;风压高度变化系数由《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 取值;7) 温度作用:钢结构使用阶段考虑升温30℃、降温30℃;钢结构合拢温度要求为10~25℃;8) 地震作用:抗震设防烈度为7度 (0.10g) , 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅲ类。

　　 混凝土梁柱、钢管混凝土柱、主檩条、桁架上下弦杆及横杆采用梁单元;桁架腹杆、水平支撑及系杆采用二力杆单元。柱底采用刚接;桁架支座采用铰接。

　　 主要构件截面及钢材等级见表1, 为保证支座与钢柱尺寸的比例协调, 控制中柱柱顶成品固定铰支座的平面尺寸为1 260mm×1 400mm。支座竖向承载力设计值为40 000k N, 双向水平抗剪承载力设计值为4 000k N, 转角不小于0.02rad。

　　 桁架与屋面水平支撑、系杆、主檩条的共同作用形成刚性屋盖;周圈混凝土框架结构保证了结构的整体侧向刚度。其中第一阶振型为屋盖沿Y向整体平动;第二阶振型为屋盖沿X向整体平动;第三阶振型为屋盖整体扭转, 见图6。

　　 在恒载+雪载+下弦活载标准组合作用下, 主桁架跨中最大竖向位移为140mm (图7) , 相对挠跨比为140/85 500=1/611<1/250;次桁架最大竖向位移为161mm, 相对挠跨比为 (161-140) /61 000=1/2 905<1/250, 均满足规范^[5,6]要求。这表明屋盖结构竖向刚度良好, 桁架的厚度及杆件大小选用合适。考虑后期架空轨道车的水平运行及大跨屋盖的外形观感, 设计中要求对桁架进行L/600 (L为本榀桁架的跨度) 的预起拱。

　　 混凝土柱顶最大水平位移出现在Y向风荷载标准值作用下, 变形趋势同第一阶振型, 其最大值为28mm, 位移与柱高之比为28/24 000=1/857<1/550, 满足规范要求, 如图8所示。

　　 由于中部两根钢管混凝土柱承担了屋盖大部分竖向荷载, 因此有必要提高中柱的性能设计指标。大震作用基本组合下, 中部两根钢管混凝土柱的验算稳定应力比最大为0.619。中柱满足大震弹性的性能目标要求。

　　 屋盖桁架结构 (含水平支撑及系杆) 平均用钢量约84.5kg/m²;主檩条平均用钢量约15.4kg/m²。

　　 由于中柱承担的荷载面积较大, 支座竖向反力包络组合设计值达到28 672k N;4根腹杆轴压力为7 168~8 328k N;下弦杆最大轴压力为20 332k N, 弯矩为2 351k N·m (图9) 。为方便施工及保证结构的外观简洁, 设计采用主桁架贯通形式, 通过成品固定铰支座将主桁架与中柱上端相连 (图10) 。为减小杆件尺寸, 此部位主桁架下弦杆截面 (钢材等级) 采用800×50 (Q460GJD) ^[7,8], 腹杆截面 (钢材等级) 采用450×35 (Q345B) , 次桁架下弦杆截面 (钢材等级) 采用377×25 (Q345B) 。为更好地向下均匀传递竖向力并提高节点承载力, 腹杆通过十字隔板与下弦杆进行相贯焊接;下弦杆内部沿纵向设置2m长十字加劲板, 同时距支座中心两侧各4m范围内浇筑CGM高强灌浆料;下弦杆与支座之间通过加肋箱形短柱连接。鉴于支座节点的重要性, 对节点进行了有限元分析。由应力分析结果 (图11) 可知, 在荷载包络组合作用下, 腹杆与下弦杆连接根部有局部应力集中现象, 但仅分布于2倍壁厚范围, 其余主要部位应力分布较为均匀。应力集中处弦杆的最大应力为353.9MPa, 腹杆的最大应力为270.4MPa, 均小于杆件的设计强度。这表明设计采用的节点相关加强构造措施对支座节点受力有良好的改善作用。

　　 根据使用功能要求, 屋盖下方设置高空轨道观览车, 每辆观览车为一沿轨道运行的吊舱, 共设置10个吊舱。轨迹线由不同转弯半径的弧线组成, 最小转弯半径6m, 总长约380m。轨道分为站台区、运行区、换轨区及储球区, 其中储球区为吊舱检修区域 (图12) 。

　　 根据设备厂家要求, 轨道梁吊点间距不大于4.5m, 每个吊舱 (含6人、5m轨道、吊座、一半马道) 总重55k N, 吊舱上的车轮距1.5m (图13) ;站台区及储球区荷载按集中悬挂10个吊舱考虑, 并考虑1.2倍动力系数;在正常运行过程, 所有吊舱之间保持一定间距, 但考虑可能出现所有吊舱集中在轨道任一区域的极限状态, 此时动力系数取1.0。为满足每4.5m间距布置一吊点要求, 轨道转换结构采用主次梁平面布置方式, 梁中心线与屋盖桁架下弦杆中心线共面。其中转换主梁采用□350×300×16 (Q345B) 矩形钢管, 两端与桁架下弦杆的节点相贯焊接。由于大部分主梁跨度均达到15m左右, 因此在主梁约1/3跨度处采用V形拉杆与桁架上弦杆的节点连接, 以减小转换主梁的跨度;次梁采用□300×16 (Q345B) 方形钢管, 根据吊点情况布置, 两端与主梁相贯焊接 (图14) 。轨道转换梁预带0.9m长轨道梁用转换支托及0.7m长观览车检修马道用拉杆支托, 便于与轨道梁进行现场螺栓连接。轨道转换梁考虑吊舱动力系数1.2, 并按《游乐设施安全规范》 (GB 8408—2008) ^[9]进行应力计算, 控制3.5倍安全系数;挠跨比按1/400控制。

　　 (1) 本工程平面不规则, 屋盖结构跨度大, 单层建筑高度高, 采用钢筋混凝土框架与倒三角形立体桁架混合体系, 能够最大程度满足建筑造型的需要, 简洁美观, 且综合经济技术指标较高。

　　 (2) 介绍了屋盖结构的设计过程及主要分析结果, 各项指标均满足相关规范要求;钢管混凝土柱柱脚达到大震弹性的性能目标。

　　 (3) 为提高柱顶支座节点承载力, 采取了相关节点加强构造措施, 并通过节点有限元分析保证节点受力的可靠性;为减小杆件尺寸, 局部构件采用了高强度钢材Q460GJD。

　　 (4) 介绍了屋盖轨道观览车的相关设计内容, 以及为满足轨道运行而采用的转换结构布置方式等, 对相似工程具有一定的参考意义。