1工程概况
本工程位于西藏自治区当雄县羊八井镇，中尼公路北侧约300m，羊八井地热电厂二分厂西侧约2km，拟建的羊八井地质公园核心景区内。建筑物平面为圆形，框架结构，建筑主体直径约55m，地上两层，地下一层。总建筑面积约为2000㎡，是一座智能化国家地质公园博物馆。建筑物总高度21.9m，地下一层层高4.8m。见图1和图2。
该博物馆结构包括钢结构主体和内部人行坡道两个独立的部分，本文主要介绍钢结构主体的设计。
2结构形式和计算分析
2．1结构形式
本工程要求外观简洁大方，跨度大（主跨25m），平面布置有一定的曲率。主体结构设计主要基于下述考虑：保证建筑的内部空间效果；屋盖的结构选型与建筑形态协调统一；结构构件的视觉阻碍小，以确保博物馆内部的视线通透；屋盖结构应尽可能轻盈化，以摆脱传统屋盖的厚重感。
基于上述考虑，该馆屋盖采用了圆管结构体系作为屋面的承重结构，竖向采用圆管结构空间桁架柱结构（见图3）。圆管由于它的良好性能，在欧美、日本等国家已广泛应用于承重结构，如体育馆、展览大厅、会议中心等屋盖。其优点主要表现在以下几个方面：
（1）钢管受力性能台抗压、抗弯、抗扭性能好，其截面回转半径等几何特性均比等截面积的、其它型钢组合截面等构件的大，可减轻结构自重。
（2）由于钢管桁架构件间可采用直接焊接的相贯节点，省掉了连接件，从而节约钢材20%~30%，同时也可以避免角钢与垫板电焊不当对杆件造成的损伤。
（3）在承载力相同的情况下，管截面的表面积较开口截面的表面积小，从而减少了防火、防腐涂层的面积及其费用。
2．2结构布置
2.2.1钢结构主体布置
整个屋盖由十二榀梯形折板布置成放射状体系。其中每榀都支承在立面空间桁架柱上，每榀折板单元由两榀斜置的变高度空间桁架组成，桁架腹杆采用N形腹杆体系。在桁架柱支承位置设置一圈水平外环梁，该环梁的环箍拉力、平衡空间桁架梁推力并有效地阻止梯形折板横向张开的作用。同样沿高度处均匀设置了两道内环梁，增加屋盖系统的整体稳定性。
为了减少屋盖中心汇交杆件的数量，在水平投影为8.5 m直径圆周处切断空间桁架，在截断位置处设置一圈内环梁(见图4)，该内环梁将十二榀空间桁架梁在圆周截断位置处连为整体，这样既保证了桁架梁在屋盖中心交汇处的传力机制，又降低了中间节点的设计难度。在圆周环梁内布置十字交叉桁架梁，在交点处布置主桁架柱。
为确保建筑立面造型及与屋盖结构的整体性，屋盖立面处设置十二个空间桁架柱，作为屋盖的主要竖向承重结构。屋盖与桁架柱在空间上形成了刚架体系，这样通过连续的弦杆可以有效地传递屋面部分竖向荷载和水平风荷载。
2.2.2支座处理
由于屋盖折板的低端、高端支承点间的高差较大，二维上类似于门式刚架结构，三维上类似于矢跨比较小的壳体结构。若与下部混凝土基础相连的支承点采用固定支座，则会由于下部混凝土基础抗侧刚度较大，桁架柱抗侧刚度较小，则对固定支座处的桁架柱顶端产生较大的推力，因此相应地采用与桁架柱相连的12根“辫子”来释放水平推力，同时也通过桁架柱的弹性变形释放径向水平推力，这样做使得结构边界条件在一定程度上均匀化，结构沿环向受力比较均匀。桁架柱脚采用固定铰支座，锚栓埋入钢筋混凝土墩内一定长度，以增强结构的整体性。 支座节点见图5。
2．3结构静力分析
2.3.1设计荷载取值及工况组合
设计荷载时结构分析的重要依据，取值的合理准确将直接影响结构的安全性和经济性。本工程设计荷载有永久荷载如结构自重、屋面覆盖结构重、吊顶材料及设备重等；可变荷载有屋面活荷载、雪荷载、风荷载等；以及地震作用和温度作用。
2.3.1.1荷载标准值
（1）永久荷载：所有杆件自重由计算程序自动导算，轻型屋面板自重按0.3KN/m2,次檩条自重按0.2 KN/m2，屋面吊挂荷载0.3KN/m2均布荷载考虑。此外，主桁架下弦考虑0.5 KN/m的线性分布吊挂荷载。
（2）屋面活荷载：0.5 KN/m2。
（3）雪荷载：0.35 KN/m2（基本雪压）。
（4）风荷载：0.45 KN/m2（基本风压）。西藏自治区当雄县羊八井镇当地缺少必要的气象资料，根据《建筑结 构荷载规范》GB50009-2001(2006版)附录D.2提供的计算方法，由测得的最大风速推算出基本风压值。由于该博物馆建筑跨度较大、刚度较小、自振周期长，在随机风荷载作用下可能会引起很大的风振效应。而荷载规范里面给出的风振系数计算方法主要是针对高层和高耸结构的，仅考虑了第一振型的影响。大跨度柔性结构的自振周期比较密集，高振型对风振的影响不能忽视。通过理论计算所得的结构的固有频率和工作经验，给出本工程的风振系数建议值为2.45。结构体型系数参考规范类似建筑选取。
（5）地震作用：本工程抗震设防烈度为9度（第二组），特征周期0.40s，要考虑竖向地震作用。
（6）温度作用：考虑到当地季节性温差，计算温度荷载取±40°温差(结构施工安装时的温度与使用过程中温差的最大差值)。
2.3.1.2荷载工况组合
在荷载工况组合时考虑了以上所列各项荷载标准值。根据结构的承载力极限状态与正常使用状态的设计要求，计算时共采用了22种荷载组合(见表1)。其中同一行的2种组合即分别为升温、降温的情况，温度荷载组合系数取1.0。
2．3.2结构分析
结构分析采用同济大学编制的钢结构计算软件3D3S9.0进行设计分析，并用通用结构计算软件MIDAS/GEN校核。按照前述荷载取值及工况组合，对主体结构进行空间整体分析。西藏当雄羊八井地区的年最低气温极低，故所有钢材均采用Q345E。由于跨度较大，对主要受力杆件的应力，按钢材强度设计值的70%控制，即控制主要构件的最大应力不大于220Mpa。
通过分析对结构各杆件截面进行优化，最终设计截面规格如表2所列。本工程主体总用钢量约200t,单位面积用钢量80Kg/m2。主桁架上下弦局部杆件采用了不同直径和厚度的截面规格，以对受力较大区域进行加强。由分析可得控制结构应力的最不利荷载工况组合为：1.35永久荷载+1.4屋面活荷载+1.0温度效应，即工况1和工况2。有地震作用参与的组合不起控制作用，这是由于钢结构自重较轻，在本工程9度抗震设防条件下，地震力相对较小。
进行分析时按照动力参与系数应超过90%的原则，计算前30阶振型，结构基本自振周期为0.6856sec，前4阶振型如图6所示。
2．3.3结构位移及温度影响
由于屋盖边界条件完全对称，因此屋盖最大竖向位移发生在屋盖中心处，其最大竖向位移-28 mm发生在荷载工况为恒+风+活组合下，为跨度的1／980。结构在温度工况下的内力较小，最大内力未超过22 kN，可以看出该结构对温度应力不敏感，这是因为桁架柱的弹性变形使其对屋盖的约束减弱，从而较大地释放了其温差应力。
2．3.4节点分析
本工程采用了圆钢管直接相贯焊接的节点连接方法，从而避免了传统的设置节点板进行焊接或采用螺旋球节点的连接方法，这使得钢管结构轻巧、美观的特性能够充分得以展现。钢管相贯节点为主管连通，使用多维数控切割机对支管进行相贯线切割后，再焊接连接到主管上。这种加工工艺过去被认为难度很高，但目前工程实践已日渐增多。
由于节点的承载力设计值决定了整个结构体系的承载性能，故节点设计必须加以重视。本工程博物馆钢结构主要节点类型为空间KK型，此外还有空间TK型，空间TKT型，空间KTK型和个别汇交杆件更多、形式更为复杂的空间节点。对于空间KK型节点可按钢结构规范GB50017-2003中的承载力设计公式进行计算，而对其它汇交更多的节点类型，由于现有的规范中没有给出相应的设计公式，可在节点弹塑性非线性有限元分析的基础上参照空间KK型相贯节点的承载力公式进行设计。
目前各国规范的极限承载力计算公式都以平面相贯节点为依据，已有的钢管节点计算公式还远未满足日益复杂的工程需要，其精度和节点形式都有待于进一步研究。而且以往所做的研究大多集中于支杆在单一荷载作用下节点的性能，即轴向力、平面内弯矩和平面外弯矩单独作用下节点的性能，对这些荷载组合作用下节点性能的研究进行得较少。
3结束语
西藏羊八井博物馆钢结构采用了直接相贯焊接的空间管桁架这一新颖的结构形式，计算分析表明，空间管桁架结构用于具有较大跨度的公共建筑中，经过合理的结构设计，可充分发挥其优异的结构性能，用钢量小，实现经济和美观的统一。
由分析结果可知，由于结构跨度较大，温差荷载对结构的影响不容忽视；
地震作用参与的组合不起控制作用，故本工程在9度设防条件下，地震作用可以忽略。
管节点的几何形状和各种参数对其受力特性的影响十分复杂，精确理论分析尚有很大难度。现在各国规范中所采用的计算公式主要是根据各几何参数和材质强度之间的关系，由大量节点破坏试验和理论分析相结合，用数理统计方法得到的。由于试验条件和分析方法不尽相同，这些公式间还有不少差异。在钢管结构设计中应充分重视节点设计，在现有规范设计公式不足的情况下，采用弹塑性非线性有限元分析的结果并参照规范类似节点设计公式进行节点设计的方法是可行的。该主体钢结构的稳定性分析另述。
参 考 文 献
[1] 钢结构设计规范（GB50017-2003），中国计划出版社，2003
[2] 建筑结构荷载规范（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2006
[3] 新型空间结构分析、设计与施工，人民交通出版社，2008
[4] 钢结构连接节点设计手册，中国建筑工业出版社，2008