折板结构用于建筑屋面可以满足建筑造型与室内装潢要求, 可以使结构构件完美融入到建筑艺术造型中。折板结构一般是由若干狭长的薄板以一定角度连接成折线形的空间薄壁体系, 适宜于长方形平面的屋盖。其跨度方向既可以是直线形, 也可以是曲线形。传统折板结构一般由混凝土薄板组成, 跨度较小, 而且混凝土折板自重较大, 多用于直线形的折板结构, 形式比较单调。折板钢桁架是在混凝土折板的基础上发展起来的新型结构, 它不仅加大了结构的跨度, 而且造型轻盈、简洁、流畅, 富于动感和感染力。

　　 渤龙湖体育健身中心项目室内游泳馆和运动场的屋面尺寸分别为78.3m×36m和86.4m×34.2m, 其长度方向呈折叠波浪形, 跨度方向为弧线形, 建筑造型独特。屋面结构采用折板钢桁架结构, 由多榀斜放的平面桁架组合而成 (图1, 2) , 每榀平面桁架是由上、下弦杆、竖腹杆及斜腹杆组成, 与相邻的平面桁架共用同一根上弦 (或下弦) 杆形成连续折叠的形状, 见图3。其矢高约为1.25m, 山墙处桁架挑出2.7m。

　　 桁架杆件均为方钢管, 上、下弦杆截面均为□350×250×16, 斜腹杆截面为□250×200×12, 竖腹杆截面为□287×250×14。桁架两端支承在钢框架梁、柱上。

　　 屋面风荷载、雪荷载取值均按100年重现期考虑, 其中风荷载为0.6kN/m², 雪荷载为0.45kN/m²。积雪分布系数参考锯齿形屋面取2.0。抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2g, 设计地震分组为第二组, 抗震设防类别为丙类, 场地土类别为Ⅲ类。结构安全等级为二级。钢材采用Q345B级钢。

　　 比较本工程采用的折板钢桁架与《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) ^[1] (简称空间规程) 推荐的单向折线形网架两种结构形式 (图4) , 可以看出两者虽然在形式上很相似, 但其体系构成有很大的不同。

　　 单向折线形网架虽然整体呈折线形状, 但由于其在周边网格沿两个方向均设置了上弦杆, 因此, 其在两个方向均有刚度, 为空间网架结构, 通过网架可以实现两个方向水平力的传递。

　　 而折板钢桁架沿折线方向不设上弦杆, 且由若干斜放的平面桁架组合而成, 每个斜放的平面桁架可以近似看成一块斜板, 从折板钢桁架的正立面 (图3 (c) ) 看, 由于没有上、下弦杆, 其腹杆在折线平面内不能形成几何不变体系, 如果腹杆与上、下弦杆的连接节点在折线平面内为铰接, 则两片相邻的平面桁架就可能产生绕上、下弦杆的转动, 形成“机构”。因此, 腹杆与弦杆在平面外的连接节点做法是折板桁架的关键, 为保证相邻两块斜板的转角刚度, 保证折板钢桁架的传力, 直腹杆与弦杆的连接节点在折线平面内应该采用刚接节点做法。支座处折板桁架腹杆与柱顶钢框架梁 (下弦杆件) 形成三角形不变体系, 对折板桁架的变形起到约束作用 (图4) 。

　　 从折板钢桁架的构成可以看出, 其受力机制基本属于单向受力体系, 另一个方向的空间作用不是很强。

　　 刚接节点可以采用在节点处内贯穿横隔板或外包加劲板的做法, 为了减小钢结构加工难度, 宜优先选用外包加劲板的做法。本工程折板钢桁架采用的是在节点设置外包加劲板的方法 (图5) , 加劲板可以有效提高节点的转角刚度, 保证屋面沿折线方向水平力的传递。

　　 为考察钢结构屋面的受力性能, 采用MIDAS Gen软件建立了折板钢桁架结构有限元模型, 桁架杆件采用杆单元, 直腹杆与上、下弦杆的连接节点在折线平面内设为刚接, 斜腹杆与上、下弦杆的连接节点设为铰接, 钢桁架两端的支座模拟为固定铰支座, 考虑静力荷载 (恒荷载、雪荷载) 、温度作用和三向地震作用的组合包络, 计算结果如下。

　　 杆件计算的最大强度应力比为0.84, 满足《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[2]要求, 钢结构桁架构件应力比的包络结果如图6所示。

　　 折板桁架在恒荷载+活荷载 (D+L) 作用下的最大竖向变形为108mm, 挠跨比为1/333<1/250, 满足空间规程的要求。

　　 对折板桁架的整体稳定性进行计算, 考虑对称荷载和非对称荷载两种荷载分布形式, 按1.0恒荷载+1.0雪荷载的荷载组合, 得出的特征值屈曲第一阶屈曲模态对应的荷载系数为46.8>4.2, 满足空间规程的要求, 全跨雪荷载和半跨雪荷载作用下, 屋面1, 2的第一阶屈曲模态如图7～10所示。

　　 考虑初始缺陷 (按1/300跨度取值) 及几何非线性, 对折板桁架进行整体稳定性计算, 得出其荷载系数为37>4.2;考虑几何非线性和材料非线性, 对折板桁架进行整体稳定性计算, 得出其荷载系数为3.2>2.0, 满足空间规程的要求, 其考虑几何非线性和考虑双重非线性的荷载-位移曲线如图11, 12所示。

　　 (1) 折板桁架屋面是一种新型的钢结构屋面形式, 它不仅造型美观新颖, 而且安全可靠。

　　 (2) 折板桁架与单向折线形网架的构成有着明显的不同, 其基本上属于单向受力体系, 折线平面内的空间作用较弱。

　　 (3) 折板桁架在折线平面内的节点设计是折板桁架设计的关键, 直腹杆与上、下弦杆在折线平面内的连接节点应采用刚接, 它对于整个结构体系的受力性能影响很大, 在设计中尤其应引起注意。

　　 (4) 折板桁架在折线平面内的节点可以采用在节点处内贯穿横隔板或外包加劲板的做法, 以提高节点的转角刚度, 保证屋面水平力的传递。