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【摘 要】伴随我国改革开放程度的不断加深，以及国民经济形式的深入发展，大跨度空间结构得到了快速发展，各种会展中心、体育场馆、大型会堂、候机大厅以及大跨厂房等陆续在全国范围内兴建起来，特别是各届全运会、亚运会以及国际比赛的推动，促使集中彰显空间结构特点的各种场馆雄伟屹立于各城市当中，并由此形成了地区性标志建筑。这些大空间甚至是超大空间建筑安全不但关系到很多人的生命安全，同时也存在着极大的国际国内影响。这便对大型空间结构设计提出了新的具体的要求。
【关键词】大跨度；钢管桁架结构；设计
21世纪，在土建结构行业当中一项重大进展就是出现了空间结构，“空间结构”主要是相对“平面结构”来说，日常使用的桁架、梁、拱均属于平面结构，其承受的荷载和由此产生的形变、内力均为二维，也就是处在一个平面当中，而空间结构内力与荷载、变形是三维，它作用在空间当中，结构分析需要考虑空间作用，应用普通二维假设得不到准确解决。由于上述特点，空间结构能够保证美观、经济、高效，自问世以来便实现了快速发展。
以下笔者将结合自身多年实践工作经验，并通过本文，针对大跨度钢管桁架结构设计进行集中阐述，力求为相关工作者日后从事此方面研究提供一定的参考价值。
一、荷载和荷载组合
大跨度钢管桁架结构设计时荷载取值为：
（一）恒荷载
在玻璃屋面位置的檩条及玻璃屋面的自重为1kN/㎡，其他屋面位置檩条及屋面板自重为0.5kN/㎡，吊挂设备荷载为0.1kN/㎡，桁架自重则自动生成。
（二）活荷载
按照《建筑工程结构荷载规范》GB50009-2001，如果区域基本压力是0.4kN/㎡，施工荷载取0.5kN/㎡，那么屋面活荷载则应当取0.5kN/㎡.
（三）风荷载
Μs为风荷载体型系数，按照《建筑工程结构荷载规范》GB50009-2001，结构属封闭拱形屋面，横向来风时体型系数取值“拱形屋面背风面-0.5、迎风面-0.8、背风面强-0.5、迎风面墙+0.8、山墙-0.7；当纵向来风时体型系数取值：屋面-0.8、背风山墙-0.5、迎风山墻+0.8、两侧墙-0.7。
Μz为风压高度改变系数，根据高度查表进行取值。
Wo为基本风压，地面粗糙程度B类，考虑重现期Wo。
（四）地震作用
抗震设防烈度为8度，设计地震加速度为0.2g，设计地震分组，考虑建筑防震设防类别，取合理的结构阻尼。按照《建筑工程结构荷载规范》GB50009-2001，水平地震作用应用振型分解反应谱方法进行计算，纵向地震作用标准值取纵向地震作用系数与重力荷载代表值的乘积。
（五）温度作用
屋盖结构升、降温度各为30摄氏度，框架梁和框架柱升、降温度各为20摄氏度。
在进行结构内力的计算时，应当切实考虑以下几种荷载组合：
1、1.2恒+1.4活
2、1.35恒+1.4×0.7活
3、1.2恒+1.4活+1.4×0.6风
4、1.2恒+1.4风+1.4×0.7活
5、1.2恒+1.4活+1.0温度
6、1.2恒+1.4活+1.4×0.6风+1.0温
7、1.2恒+1.4×0.7活+1.4风+1.0温
8、1.2恒+1.4×0.7活+1.4×0.6风+1.0温
9、0.75（1.2恒+1.2×0.5雪+1.3地震）
10、1.0恒+1.4风
当荷载组合时，活荷载需要考虑半跨活荷载和满活荷载2种情况。风荷载考虑纵向来风和横向来风2种情况。温度作用需要考虑升温、降温2种情况。水平地震作用需要考虑竖向水平地震作用和横向水平地震作用2种情况。
二、结构设计的计算
（一）计算模型
为保障结构空间作用，应建立起三维空间的整体计算模型。其中主要包括檩条、桁架、钢管混凝土柱与柱之间框架梁以及屋面支撑体系。
在计算模型当中，桁架上下弦杆以及柱之间水平连梁与檩条都使用空间梁单元beam4来模拟，这种单元包含两个节点，每一个节点存在六个自由度，三个转动自由度以及三个平移自由度。
桁架腹杆和檩条之间系杆使用空间杆单元link8来模拟，这种单元包括两个节点，每个节点存在三个平移自由度。拉条使用仅承受拉力空间杆单元link10来模拟，这种类型单元包括两个节点，每一个节点存在三个平移自由度，仅可承受轴向拉力。
边界条件和构件连接方法：柱间框架梁和柱刚接、钢管混凝土柱柱脚刚接、腹杆和弦杆铰接以及桁架和柱三向铰接。檩条按照多跨连续梁进行计算，领条和上弦杆铰接。
按照整体计算模型地震反应、不同支承条件下支座反力大小对比以及风振相应计算分析结果，针对整体计算模型完成优化设计，最后所用的整体计算模型，如下图2所示：
为降低桁架因升、降温对柱顶产生水平推力，桁架支座底板螺栓孔使用椭圆孔。为了防止地震时桁架在支座出现很大横向水平位移，应该在支座上设置限位板。
（二）计算结果
因结构设计条件改变，杆件截面规格应该予以重新选择。按照上述提到的荷载和荷载组合，进行多次运算，最后确定出各杆件截面形式及规格。
按照《建筑工程结构荷载规范》GB50017-2003的相关要求，跨度屋盖，无悬挂吊车屋架，永久及可变荷载标准值运算挠度允许值可以取跨度的1/250。
《钢结构设计规范》GB20017-2003附录中要求，屋盖檩条，永久和可变荷载标准值预算挠度允许值可以取跨度的1/200。桁架结构纵向位移运算结构参见下表1： 三、支座节点的受力性能有限元分析
桁架支座节点位置由于存在很多的交汇杆件，无法满足《钢结构设计规范》GB50017-2003当中关于节点形式的要求，只能根据相关公式计算出大致的节点强度。为确保节点拥有稳定的安全新，应该使用有限元方式来补充计算支座节点承载力。
一般来说，钢管贯承载力性能研究包含试验研究以及理论研究2大方面。试验研究是比较直接而有效的办法，它利用对节点试件的加载，观察节点试件处于外荷载作用下变形及应变、应力的发展过程，可以获取节点破坏时真实的形态以及节点极限承载力。
因受到加载设备和试验成本的制约，试验资料不能覆盖工程当中节点尺寸的所有范围，所以试验研究存在一定的弊端。所以，利用数值计算和软件有限元分析便成为了当前研究的重要方式。
（一）计算支座节点的承载力
在起初设计时，支座主管和支管、肋板直接连接，主管没有外包钢管。把最不利情况下每个杆件轴力施加到计算模型完成有限元分析的计算。
经研究发现，竖管和肋板和连接部分盈利的分布比较均匀且应力适中。然而，肋板最边缘和主管连接位置存在显著应力集中，这是因为平面肋板和曲面主管斜向相交，肋板存在了不规则凸角，在施工时，尽可能使用焊缝来平缓。
（二）计算主管加厚支座节点的承载力
经分析，支座应力分布不科学，最大应力相对较大。所以，应该在节点位置把主管加厚，主管外包钢管，其内径为500毫米、厚度为24毫米。把每个杆件轴力施加于修改之后的模型上，然后完成有限元分析的计算。
在加载时，节点贯线和肋板、主管交接点位置有应力集中的现象，这一位置会先屈服，然而这并不意味着节点会马上被破坏，伴随荷载的不断增加，此点开始形成塑性区，促使应力重新分布，塑性区会持续向周边扩散，直至产生明显的塑像形变，节点才会被破坏。
四、结语
总而言之，大跨度钢管桁架结构的设计是一项相对繁琐的系统性工程，需要相关工作人员在实际工作过程中不断分析、研究，同時合理利用自身创造性思维，从而总结出科学合理的大跨度钢管桁架结构设计方法，最终推动我国工程项目事业的不断发展。
参考文献：
[1]胡俊华，吴梦先.武汉市二环线汉口段钢箱梁安装用临时支架设计[A].建设工程安全理论与应用——首届中国中西部地区土木建筑学术年会论文集[C].2011.
[2]潘阳，郝际平，王先铁，任青青.方钢管混凝土梁柱穿芯螺栓-端板连接节点承载力研究[A].第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].2007.
[3]李双蓓，刘立国，倪骁慧.结构稳定性研究的现状和新方法的探索[J].广西大学学报（自然科学版），2004（S2）：11-12.
【关键词】大跨度；钢管桁架结构；设计
21世纪，在土建结构行业当中一项重大进展就是出现了空间结构，“空间结构”主要是相对“平面结构”来说，日常使用的桁架、梁、拱均属于平面结构，其承受的荷载和由此产生的形变、内力均为二维，也就是处在一个平面当中，而空间结构内力与荷载、变形是三维，它作用在空间当中，结构分析需要考虑空间作用，应用普通二维假设得不到准确解决。由于上述特点，空间结构能够保证美观、经济、高效，自问世以来便实现了快速发展。
以下笔者将结合自身多年实践工作经验，并通过本文，针对大跨度钢管桁架结构设计进行集中阐述，力求为相关工作者日后从事此方面研究提供一定的参考价值。
一、荷载和荷载组合
大跨度钢管桁架结构设计时荷载取值为：
（一）恒荷载
在玻璃屋面位置的檩条及玻璃屋面的自重为1kN/㎡，其他屋面位置檩条及屋面板自重为0.5kN/㎡，吊挂设备荷载为0.1kN/㎡，桁架自重则自动生成。
（二）活荷载
按照《建筑工程结构荷载规范》GB50009-2001，如果区域基本压力是0.4kN/㎡，施工荷载取0.5kN/㎡，那么屋面活荷载则应当取0.5kN/㎡.
（三）风荷载
Μs为风荷载体型系数，按照《建筑工程结构荷载规范》GB50009-2001，结构属封闭拱形屋面，横向来风时体型系数取值“拱形屋面背风面-0.5、迎风面-0.8、背风面强-0.5、迎风面墙+0.8、山墙-0.7；当纵向来风时体型系数取值：屋面-0.8、背风山墙-0.5、迎风山墻+0.8、两侧墙-0.7。
Μz为风压高度改变系数，根据高度查表进行取值。
Wo为基本风压，地面粗糙程度B类，考虑重现期Wo。
（四）地震作用
抗震设防烈度为8度，设计地震加速度为0.2g，设计地震分组，考虑建筑防震设防类别，取合理的结构阻尼。按照《建筑工程结构荷载规范》GB50009-2001，水平地震作用应用振型分解反应谱方法进行计算，纵向地震作用标准值取纵向地震作用系数与重力荷载代表值的乘积。
（五）温度作用
屋盖结构升、降温度各为30摄氏度，框架梁和框架柱升、降温度各为20摄氏度。
在进行结构内力的计算时，应当切实考虑以下几种荷载组合：
1、1.2恒+1.4活
2、1.35恒+1.4×0.7活
3、1.2恒+1.4活+1.4×0.6风
4、1.2恒+1.4风+1.4×0.7活
5、1.2恒+1.4活+1.0温度
6、1.2恒+1.4活+1.4×0.6风+1.0温
7、1.2恒+1.4×0.7活+1.4风+1.0温
8、1.2恒+1.4×0.7活+1.4×0.6风+1.0温
9、0.75（1.2恒+1.2×0.5雪+1.3地震）
10、1.0恒+1.4风
当荷载组合时，活荷载需要考虑半跨活荷载和满活荷载2种情况。风荷载考虑纵向来风和横向来风2种情况。温度作用需要考虑升温、降温2种情况。水平地震作用需要考虑竖向水平地震作用和横向水平地震作用2种情况。
二、结构设计的计算
（一）计算模型
为保障结构空间作用，应建立起三维空间的整体计算模型。其中主要包括檩条、桁架、钢管混凝土柱与柱之间框架梁以及屋面支撑体系。
在计算模型当中，桁架上下弦杆以及柱之间水平连梁与檩条都使用空间梁单元beam4来模拟，这种单元包含两个节点，每一个节点存在六个自由度，三个转动自由度以及三个平移自由度。
桁架腹杆和檩条之间系杆使用空间杆单元link8来模拟，这种单元包括两个节点，每个节点存在三个平移自由度。拉条使用仅承受拉力空间杆单元link10来模拟，这种类型单元包括两个节点，每一个节点存在三个平移自由度，仅可承受轴向拉力。
边界条件和构件连接方法：柱间框架梁和柱刚接、钢管混凝土柱柱脚刚接、腹杆和弦杆铰接以及桁架和柱三向铰接。檩条按照多跨连续梁进行计算，领条和上弦杆铰接。
按照整体计算模型地震反应、不同支承条件下支座反力大小对比以及风振相应计算分析结果，针对整体计算模型完成优化设计，最后所用的整体计算模型，如下图2所示：
为降低桁架因升、降温对柱顶产生水平推力，桁架支座底板螺栓孔使用椭圆孔。为了防止地震时桁架在支座出现很大横向水平位移，应该在支座上设置限位板。
（二）计算结果
因结构设计条件改变，杆件截面规格应该予以重新选择。按照上述提到的荷载和荷载组合，进行多次运算，最后确定出各杆件截面形式及规格。
按照《建筑工程结构荷载规范》GB50017-2003的相关要求，跨度屋盖，无悬挂吊车屋架，永久及可变荷载标准值运算挠度允许值可以取跨度的1/250。
《钢结构设计规范》GB20017-2003附录中要求，屋盖檩条，永久和可变荷载标准值预算挠度允许值可以取跨度的1/200。桁架结构纵向位移运算结构参见下表1： 三、支座节点的受力性能有限元分析
桁架支座节点位置由于存在很多的交汇杆件，无法满足《钢结构设计规范》GB50017-2003当中关于节点形式的要求，只能根据相关公式计算出大致的节点强度。为确保节点拥有稳定的安全新，应该使用有限元方式来补充计算支座节点承载力。
一般来说，钢管贯承载力性能研究包含试验研究以及理论研究2大方面。试验研究是比较直接而有效的办法，它利用对节点试件的加载，观察节点试件处于外荷载作用下变形及应变、应力的发展过程，可以获取节点破坏时真实的形态以及节点极限承载力。
因受到加载设备和试验成本的制约，试验资料不能覆盖工程当中节点尺寸的所有范围，所以试验研究存在一定的弊端。所以，利用数值计算和软件有限元分析便成为了当前研究的重要方式。
（一）计算支座节点的承载力
在起初设计时，支座主管和支管、肋板直接连接，主管没有外包钢管。把最不利情况下每个杆件轴力施加到计算模型完成有限元分析的计算。
经研究发现，竖管和肋板和连接部分盈利的分布比较均匀且应力适中。然而，肋板最边缘和主管连接位置存在显著应力集中，这是因为平面肋板和曲面主管斜向相交，肋板存在了不规则凸角，在施工时，尽可能使用焊缝来平缓。
（二）计算主管加厚支座节点的承载力
经分析，支座应力分布不科学，最大应力相对较大。所以，应该在节点位置把主管加厚，主管外包钢管，其内径为500毫米、厚度为24毫米。把每个杆件轴力施加于修改之后的模型上，然后完成有限元分析的计算。
在加载时，节点贯线和肋板、主管交接点位置有应力集中的现象，这一位置会先屈服，然而这并不意味着节点会马上被破坏，伴随荷载的不断增加，此点开始形成塑性区，促使应力重新分布，塑性区会持续向周边扩散，直至产生明显的塑像形变，节点才会被破坏。
四、结语
总而言之，大跨度钢管桁架结构的设计是一项相对繁琐的系统性工程，需要相关工作人员在实际工作过程中不断分析、研究，同時合理利用自身创造性思维，从而总结出科学合理的大跨度钢管桁架结构设计方法，最终推动我国工程项目事业的不断发展。
参考文献：
[1]胡俊华，吴梦先.武汉市二环线汉口段钢箱梁安装用临时支架设计[A].建设工程安全理论与应用——首届中国中西部地区土木建筑学术年会论文集[C].2011.
[2]潘阳，郝际平，王先铁，任青青.方钢管混凝土梁柱穿芯螺栓-端板连接节点承载力研究[A].第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].2007.
[3]李双蓓，刘立国，倪骁慧.结构稳定性研究的现状和新方法的探索[J].广西大学学报（自然科学版），2004（S2）：11-12.