鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：貴陽(yáng)市城鄉規劃展覽館是一棟荷載較大、跨度較大、帶有較大懸挑的公共建筑。結構采用了以框架剪力墻為主要抗側力體系，以大跨度懸掛鋼結構為主要樓蓋承重體系的結構形式。其中，剪力墻為四組型鋼混凝土筒體組成，框架柱主要由方鋼管混凝土疊合柱組成，屋蓋為高近六米的桁架組成，屋蓋桁架同時(shí)在建筑物東側、北側懸挑16m，通過(guò)下掛鋼斜撐、下掛鋼柱吊掛以下各樓層，結構形式新穎。本文主要從工程概況、結構整體計算、構件設計三方面簡(jiǎn)要介紹了該工程的設計過(guò)程及設計思路。
關(guān)鍵詞：貴陽(yáng)城鄉規劃展覽館 大跨懸掛鋼結構 鋼管混凝土疊合柱
1. 工程概況
貴陽(yáng)市城鄉規劃展覽館整體為長(cháng)約112m，寬約70 m，高約34m，地上四層（二層上方有局部夾層），地下一層的長(cháng)方體建筑。圖1是整棟建筑的效果圖，圖2～圖6為建筑一層平面及四個(gè)剖面圖。從平面上看，二層（標高5.700）樓面、三層（標高13.700）樓面以及大屋面（標高32.200）樓板基本完整，二層夾層（標高9.700）、四層（標高13.700）樓面以及屋面桁架下弦平面（標高25.200）僅局部有樓板。從剖面上看，建筑為了解決采光、人流組織等問(wèn)題，采用了樓板跌落及懸挑建筑空間的做法不僅使樓板標高變化較多，而且整個(gè)建筑的東邊及北邊從三層起至屋面的部分均向外懸挑了兩跨16m。從使用功能看，做為展覽館，需要較大空間，故層高及跨度較大。屋面最大跨度60mX48m，樓面最大跨度40m×24m。另外屋面、室外花園的覆土要求（土厚500mm）以及展覽館的布展要求（活荷載10kPa）也使整個(gè)結構的荷載很大?；旧洗蠛奢d、大跨度、樓板錯落標高復雜是本建筑的特點(diǎn)。
圖1 全樓效果圖
根據建筑布置，結構選用了以框架剪力墻為主要抗側力體系，以大跨度懸掛鋼結構為主要樓蓋承重體系的結構形式。
首先是在建筑四角利用豎向交通、豎向管井的位置構建四個(gè)混凝土筒體。因為屋蓋兩個(gè)方向尺度差異不大，所以采用了正交正方四周支撐的雙向桁架結構。桁架失高5.750m，桁架支于混凝土筒體及周邊柱上，并在建筑東邊及北邊的懸挑位置外伸，然后向下懸掛構件形成3層及四層的樓面。由于三層懸挑位置使用功能為展廳及室外花園，加之屋面荷載，總荷載較大，懸挑部位桁架失高仍為5.750m，則構件內力過(guò)大。我們利用三層及四層的層高，在混凝土筒體相連的懸挑位置構建了失高更高的桁架。由于懸挑桁架下弦受壓為主，所以選擇了有完整樓板的三層做為懸挑桁架的下弦層，避免桁架下弦構件為穩定控制[1]。為了加強結構的整體性，使荷載更加均勻的傳遞至基礎，我們又在不影響建筑使用的地方增加了一些斜桿。圖7、圖8分別為C軸、11軸的結構布置立面圖，圖9為結構空間布置示意圖。
圖2 首層建筑平面圖
圖3 1-1建筑剖面
圖4 2-2建筑剖面
圖5 3-3建筑剖面
圖6 4-4建筑剖面
圖7 C軸結構立面布置圖
圖8 11軸結構立面布置圖
圖9 結構空間布置示意圖
2. 整體計算
建筑結構安全等級為二級，使用年限50年，結構重要性系數1.0，抗震設防類(lèi)別為乙類(lèi)[2]，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。工程建筑場(chǎng)地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，水平地震影響系數最大值為0.04，反應譜特征周期為0.35s，阻尼比取0.04，未考慮豎向地震作用[3]。當地50年一遇的基本風(fēng)壓為0.3kPa，地面粗糙類(lèi)別為B類(lèi)。50年一遇的基本雪壓為0.20kPa[4]。結構的整體性計算采用了Midas和PKPM兩個(gè)軟件。表1至表4為兩個(gè)軟件整體分析的計算指標對比。
表1 MIDAS/GEN、PKPM整體計算周期
表2 MIDAS/GEN、PKPM整體計算層剛度比
表3 PKPM整體計算本層與上一層的承載力之比
表4 MIDAS/GEN、PKPM整體計算層間位移
在各項指標中看到，除樓層承載力比不滿(mǎn)足規范要求外，其余各項指標均滿(mǎn)足規范要求，且兩個(gè)軟件計算結果較為接近。但本工程結構體系與一般形式的結構體系不同。上部桁架的剛度很大，桁架含有較多斜桿，影響了抗剪承載力的計算。但實(shí)際上所有剪力基本上均是傳至四個(gè)混凝土筒體，然后在向下傳遞的，而混凝土筒體基本上各層變化不大，故抗剪承載力各層變化應該不大。
3. 構件設計
對于鋼結構的具體桿件的內力及變形分析，我們采用了Midas和3D3S兩個(gè)軟件。在3D3S中，構成混凝土筒體的剪力墻的模擬是采用了桁架來(lái)模擬的。由于桁架的豎向剛度和水平剛度均與剪力墻剛度有差異，該差異會(huì )引起內力計算的差異?？紤]到本工程以豎向荷載為主要荷載，地震力及風(fēng)力較小，且屋蓋整體為空間結構，做為支座的混凝土筒體及柱的豎向變形會(huì )引起屋蓋內力分配的較大變化，我們在模擬混凝土筒體時(shí)，盡量使模擬混凝土筒體的桁架的四角豎向變形與Midas計算的混凝土筒體四角豎向變形一致為原則來(lái)確定模擬混凝土筒體的桁架的桿件。但由于模擬混凝土筒體的桁架水平剛度仍小于剪力墻，在懸挑處，做為懸挑鋼結構支座的核芯筒的整體變形仍會(huì )對懸挑鋼結構的位移和內力計算造成一定影響。表5為兩個(gè)軟件計算的混凝土筒體角點(diǎn)位移。表6、表7為兩個(gè)軟件在整個(gè)建筑懸挑的典型位置（建筑的右下角，雙向懸挑16m的位置）的內力及位移計算結果的對比。從計算結果上看，3d3s計算的撓度和內力均較MIDAS/GEN計算結果大，撓度差異達40％，內力差異在10％以?xún)?。撓度差異較大的原因主要是混凝土筒體水平位移及轉角位移經(jīng)懸挑桿件放大造成的，內力計算結果差異則在可接受的范圍。按照MIDAS/GEN的計算結果，鋼結構的變形均滿(mǎn)足規范要求。
表5 MIDAS/GEN、3d3s在恒荷載作用下核芯筒角點(diǎn)位移
表6 MIDAS/GEN、3d3s 計算的在恒荷載作用下懸挑位置位移
表7 MIDAS/GEN、3D3S在恒荷載作用下懸挑桁架內力
混凝土筒體剛度的不同還影響了溫度作用。由于混凝土筒體的約束，結構在溫升及溫降時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的軸向力，特別是在混凝土筒體之間的構件。3D3S模型中，由于混凝土筒體水平剛度較小，計算出的構件溫度內力較小。
為了簡(jiǎn)化節點(diǎn)設計，在構件截面選型時(shí)盡可能的選用了工字型截面，但在受力較大的位置，還是不可避免的使用了一些焊接箱型截面構件。這些箱型構件匯交處也是結構受力較大且構件匯交數量較多的位置。這些位置的節點(diǎn)使用了鑄鋼節點(diǎn)。為了考慮鑄鋼節點(diǎn)對于整體桿件計算的影響，我們按照鑄鋼件大小，將鑄鋼件簡(jiǎn)化為剛域進(jìn)行了整體模擬。計算表明由于鑄鋼件的影響，變形有所減少，但內力會(huì )向有剛域的桁架集中，軸力變化不明顯，但彎矩增加較大。表8、表9分別為MIDAS/GEN計算的有剛域和無(wú)剛域時(shí)，位移和內力的計算結果。表中無(wú)剛域的強軸彎矩為桿件端部的彎矩，如對比剛域端部的彎矩，則更明顯的看到剛域使得桿件彎矩增加較多。
表8 MIDAS/GEN計算的在恒荷載作用下懸挑位置位移
表9 MIDAS/GEN計算的在恒荷載作用下懸挑桁架內力
由于建筑在使用中，樓板可做為受壓構件的側向支撐，故在設計中，未考慮構件的側向穩定。而在施工中，樓板是分片施工的，未施工樓板的部分在施工荷載作用下，受壓構件存在側向穩定問(wèn)題。由于本建筑的屋面覆土荷載及展覽館的活荷載較大，這些荷載都是在結構體系完成后加載的，而樓板自重所占比例較小，故施工順序對結構的安全性影響不大。我們也使用Midas對加載情況進(jìn)行了模擬，計算結果也表明結構安全。
4. 結 語(yǔ)
貴陽(yáng)市城鄉規劃展覽館的結構形式還是較為新穎的。我們使用多種軟件并考慮多種情況對結構進(jìn)行了分析，從計算結果上看，該結構是具有足夠的安全性能的。
參考文獻
[1] 鋼結構設計規范(GB 50017-2003) [S].北京：中國計劃出版社，2003
[2] 建筑工程抗震設防分類(lèi)標準(GB 50223-2008) [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008
[3] 建筑抗震設計規范(GB 50011-2010) [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010
[4] 建筑結構荷載規范2006年版(GB 50009-2001) [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002
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