深圳国际会展中心^[1]地上由16个标准展厅^[2]、2个多功能展厅、1个5万m²的超大特殊展厅(图1)、2个登录大厅组成^[3,4,5]。超大特殊展厅为全球体量较大的单体展厅，承担了举办飞机、游艇、大型机械设备等特殊类型的展览，是本项目的标志性场馆。超大特殊展厅下部钢框架平面尺寸为248m×220m，主要功能为展览、会议、餐饮及设备用房，楼盖采用压型钢板组合楼板;上部钢屋盖平面尺寸为257m×224m，采用直立锁边金属屋面系统。

　　 项目初期确定的整体方案，经过了多方案的比较，由投标阶段的空间网架结构到后来的平面桁架方案，最后确定为三角桁架的结构方案，不仅满足了建筑功能及效果需求，并且结构受力合理，用钢量大大降低。

　　 建筑结构设计基准期为50年;结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1;抗震设防烈度为7度(0.1g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为乙类，场地特征周期为0.45s;主体钢结构抗震等级为三级;地基基础设计等级为甲级。

　　 工程基本风压为0.75kN/m²(50年一遇)，地面粗糙度类别为A类。由于钢屋盖采用金属屋面，屋面钢结构对风荷载较为敏感，有必要通过风洞试验确定风压分布规律，测压模型如图2所示。根据风洞试验报告^[6]，取用50年重现期的各测点在所有风向角中的最大、最小平均压力值与风振系数的乘积作为屋盖钢结构风荷载设计依据。

　　 结构设计时将主体结构合拢时的温度作为结构的初始温度，钢结构设计采用的正、负温差取值为:最大正温差+25℃，最大负温差-25℃。

　　 构件自重由程序自动计算，屋面附加恒载取1.5kN/m²，活载取0.5kN/m²，考虑吊挂活载0.25kN/m²。

　　 本工程除支承屋盖桁架的柱子采用Q420GJC外，其余钢构件均采用Q345B。

　　 超大特殊展厅作为深圳国际会展中心项目体量最大的一个特殊展厅，屋盖采用空间管桁架结构体系，下部采用钢框架结构体系。可满足建筑使用功能及建筑外观效果，也满足展厅内吊挂荷载布置要求，结构经济性较好。展厅屋盖主次桁架采用多跨连续的大跨度空间管桁架结构，空间桁架为三角形断面，布置形式有利于下弦杆平面外稳定，避免设置下弦平面外支撑。桁架上弦设置交叉支撑及刚性系杆，以保证桁架上弦平面外稳定，增强屋盖的整体稳定性。

　　 屋盖平面尺寸为257m×224m，最高点结构标高31.330m，南北向檐口最高点结构标高24.925m，东西向檐口最高点结构标高31.330m。屋盖由2榀主桁架(GHJ01)、9榀次桁架(CHJ01)组成主要受力构件，平面及立面如图3和图4所示。CHJ01矢高为2.250～6.672m，宽度为7.0m，间距为18.0m，跨度分别为85.5,69.0,85.5m。上弦杆主要截面为Ф600×20，下弦杆主要截面为Ф800×25，腹杆主要截面为Ф325×12，Ф402×12。GHJ01矢高为9.0m，宽度为9.0m，间距为69.0m，跨度分别为54.0,18.0,54.0,18.0,36.0m。上弦杆主要截面为Ф610×25，下弦杆主要截面为Ф800×25，腹杆主要截面为Ф450×25,Ф500×25。

　　 南北向悬挑采用连续的三角桁架来实现，最大悬挑长度12.0m，如图5所示，上弦杆截面为Ф450×16，下弦杆及主受力撑杆为Ф450×20，腹杆为Ф325×12。

　　 东西向悬挑采用变截面箱形梁来实现，最大悬挑长度11.6m，如图5所示，悬挑梁截面为□500×200×10 × 16,□600 × 300 × 16 × 20,□800 / 550 × 300 ×20×30,□ 1 000 / 550 × 400 × 20 × 40,□ 1 000 / 550 × 600×20×40。

　　 支承屋盖桁架的柱为钢管混凝土柱，截面为1 200×40，材质为Q420GJC，内灌C60混凝土;其余柱为纯钢柱，截面为Ф600×25，Ф800×25，□600×600×25×25，材质为Q345B。

　　 考虑屋盖钢结构与下部钢框架的协同工作，采用SAP2000软件建立了结构整体计算模型，如图6所示。杆件采用Frame单元，桁架腹杆与弦杆分别采用刚接、铰接两种计算假定设计，利用Shell单元施加屋面荷载，该壳单元的质量及刚度退化为0。

　　 (1)模态分析

　　 结构的动力特性(频率和振型)是进行地震反应分析的基础。在SAP2000软件中采用基于荷载相关的Ritz向量法对整体结构进行模态分析，结构计算至第21阶模态时，各模态质量参与系数之和在平动、扭转自由度上均已达到99%以上。表1给出了整体结构的前8阶模态信息。结构第1阶周期为0.690s，表现为Y向平动;结构第2阶周期为0.647s，表现为X向平动;结构第3阶周期为0.615s，表现为扭转;第4阶周期为0.546s，表现为X向反对称平动;第5阶周期为0.463s，表现为X向反对称平动;第6阶周期为0.440s，表现为Y向反对称平动，伴有Z向竖向振动。

　　 模态分析表明，第1阶扭转周期/第1阶平动周期=0.89<0.9。屋盖结构整体性好，能有效形成空间受力体系，结构三个方向的质量参与系数均已达到90%，满足规范要求。

　　 (2)位移分析

　　 在几种不利工况下，屋盖结构的最大竖向位移如表2所示，竖向位移云图如图7所示。由表2可知，屋盖结构的最大竖向位移值与短向跨度的比值为1/450<1/250，满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)^[7](简称空间网格规程)的要求。

　　 (3)承载力设计

　　 屋盖钢结构按中震弹性进行构件承载力复核，GHJ01桁架上弦杆应力比大部分在0.3～0.6之间，下弦杆应力比大部分在0.3～0.7之间，斜腹杆应力比大部分在0.2～0.8之间。CHJ01桁架上弦杆应力比大部分在0.3～0.6之间，下弦杆应力比大部分在0.4～0.6之间，斜腹杆大部分应力比在0.3～0.6之间。典型GHJ01和CHJ01桁架的应力比分布如图9所示。计算表明，屋盖钢结构的应力分布区间均匀，受力主管大部分受恒载+活载+风荷载+温度作用工况控制，悬挑部分杆件主要受风荷载作用控制。经统计，上部钢结构用量为195kg/m²，屋盖用钢量为95kg/m²。

　　 (4)整体稳定性分析

　　 空间管桁架受力特点类似于平面桁架，属单向受力结构。其自身平面内具有较大的刚度，但相对于平面桁架，空间管桁架上弦的宽度较大，其侧向稳定性相对较高。但空间管桁架的侧向稳定性提高多少，是否仍可能因丧失整体稳定而失效，因此，对大跨度的空间管桁架有必要了解其整体稳定承载力。

　　 采用SAP2000软件分析了屋盖钢结构的线性屈曲及几何非线性屈曲两类稳定问题，考虑1.0恒载+1.0活载为初始不利工况。通过线性屈曲分析，可以获得结构的屈曲荷载及相应的失稳模式，从而了解结构的薄弱区域。另外，根据屈曲模态对结构施加一致初始缺陷，是结构非线性分析的基础。

　　 屋盖的线性屈曲模态如图9所示，其第一阶线性屈曲模态的屈曲系数为8.78，屈曲模态表现为次桁架(CHJ01)上弦杆的失稳。根据位移分析结果，次桁架(CHJ01)是整个屋盖变形最大的地方，在1.0恒载+1.0活载工况作用下，屋盖次桁架上弦处于受压状态，整个结构因受压产生较大轴力的为屋盖次桁架的上弦杆，因此屋盖次桁架最容易屈曲。

　　 依据空间网格规程的要求，计算屋盖结构的整体稳定性，考虑材料弹性、几何非线性。分析时通过修改单元节点坐标来考虑初始几何缺陷对结构整体稳定性的影响，初始几何缺陷采用一致缺陷模态法，即按线性屈曲分析获得的第一阶模态来模拟结构的初始缺陷分布，将模态的最大值定义为R，取R=L/300(L为CHJ01的最大跨度，L=85.50m)。图10给出了屋盖钢结构在1.0恒载+1.0活载工况下的非线性屈曲分析结果，通过结构基底剪力换算可知，结构的几何非线性屈曲系数为5.25，大于4.2，结构整体稳定性满足要求。

　　 为保证节点的安全性及加工的可靠性，避免大量焊缝重叠引起的应力集中，改善构件的整体工作性能，因此设计采用了铸钢节点。以满足“节点强度不低于构件强度”的设计原则^[8]。

　　 对一些典型复杂铸钢节点进行有限元分析。节点内力取SAP2000软件整体计算模型中的最不利荷载。节点应力水平按以下两个原则控制:1)汇交杆件应力水平较高(杆件应力比大于0.7)的节点，最不利工况下节点应力水平不超过汇交杆件最高应力水平的0.8倍;2)汇交杆件应力水平较低(杆件应力比小于0.7)的节点，满足节点极限承载力为最不利工况应力的2.4倍^[9]。

　　 铸钢节点1为主桁架的分叉下弦杆与斜腹杆交汇处的节点，汇交杆件达7根，如图11(a)所示;铸钢节点2为主桁架的分叉下弦杆与斜腹杆交汇处的节点，汇交杆件达8根，如图11(b)和图12,13所示;铸钢节点3为主桁架的上弦杆、斜腹杆与次桁架上弦杆、斜腹杆交汇处的节点，汇交杆件达10根，如图11(c)和图14～16所示。铸钢牌号为G20Mn5QT，屈服强度大于300MPa，碳含量为0.17%～0.23%。依据《铸钢结构技术规程》(JGJ/T395—2017)^[10]，铸钢件抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=230MPa，抗剪强度设计值f_v=135MPa。

　　 分析结果表明，铸钢节点大部分处于弹性范围，仅在铸钢件与相连构件的连接部位出现应力集中，最大应力均在200MPa以下，铸钢节点满足设计要求。图12、图13分别为典型铸钢节点3与主桁架吊装现场照片。

　　 图1 1 典型铸钢节点von Mises应力云图/MPa

　　 图1 2 典型铸钢节点3现场照片

　　  

　　 图1 3 主桁架吊装现场图  

　　 经反复论证与研究，在既保证建筑效果又能有效减小柱端弯矩的情况下，采用连续的三角桁架来实现悬挑，保证结构概念清晰、结构传力可靠。三角桁架的宽度，在距柱轴线9.0m的位置由7.0m逐渐变为2.0m，端部高度为2.25m，然后在屋面钢框架梁加腋的部位通过插板连接，以实现桁架上弦杆的连续。悬挑桁架端部局部平面布置图及节点连接详图如图14～16所示。

　　 图1 4 悬挑桁架连接节点三维视图

　　  

　　 图1 5 悬挑桁架端部局部平面布置图及立面图

　　  

　　 图1 6 悬挑桁架连接节点A-A,B-B剖面图

　　 利用ABAQUS软件建立节点有限元模型，如图17所示。节点内力取SAP2000整体计算模型中的最不利荷载组合。分析结果表明，悬挑桁架连接节点区局部应力大部分在260MPa以内，如图18、图19所示。悬挑桁架连接节点设计满足要求。

　　 (1)利用SAP2000软件对超大特殊展厅进行了结构整体分析，结构在重力、风荷载、地震、温度等多种工况作用下，结构的位移、构件承载力、整体稳定性满足规范设计要求。

　　 (2)复杂节点设计是空间结构设计的关键，对本项目中杆件汇交密集、受力集中的节点采用铸钢节点，并对其进行节点有限元分析，节点应力均小于200MPa，确保铸钢节点达到“节点强度不低于构件强度”的设计目标。

　　 (3)采用连续的三角桁架来实现悬挑，以减小柱端弯矩，确保结构安全。对悬挑桁架的复杂连接节点进行了设计，并进行了有限元分析，节点局部较大应力在260MPa以内，节点设计满足要求。

　　 (4)在深圳国际会展中心项目设计周期短、施工进度快、项目体量大等多种复杂情况下，结构设计团队通过精心设计，超大特殊展厅上部钢结构用钢量为195kg/m²，屋盖用钢量为95kg/m²。

　　 (5)在分析和设计过程中，对一些关键问题采取了合理解决措施，各项设计指标满足现行规范的要求，从而保证了整体钢结构安全、经济和美观。