鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：貴陽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，屋蓋桁架同時在建筑物東側、北側懸挑16m，通過下掛鋼斜撐、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、構件設計三方面簡要介紹了該工程的設計過程及設計思路。
關鍵詞：貴陽城鄉規劃展覽館 大跨懸掛鋼結構 鋼管混凝土疊合柱
1. 工程概況
貴陽市城鄉規劃展覽館整體為長約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）也使整個結構的荷載很大。基本上大荷載、大跨度、樓板錯落標高復雜是本建筑的特點。
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混凝土筒體。因為屋蓋兩個方向尺度差異不大，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，抗震設防類別為乙類[2]，場地類別為Ⅱ類。工程建筑場地抗震設防烈度為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年一遇的基本風壓為0.3kPa，地面粗糙類別為B類。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兩個軟件。表1至表4為兩個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足規范要求外，其余各項指標均滿足規范要求，且兩個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。但實際上所有剪力基本上均是傳至四個混凝土筒體，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，該差異會引起內力計算的差異。考慮到本工程以豎向荷載為主要荷載，地震力及風力較小，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引起屋蓋內力分配的較大變化，我們在模擬混凝土筒體時，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為兩個軟件計算的混凝土筒體角點位移。表6、表7為兩個軟件在整個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％以內。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，鋼結構的變形均滿足規范要求。
表5 MIDAS/GEN、3d3s在恒荷載作用下核芯筒角點位移
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會產生較大的軸向力，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。
為了簡化節點設計，在構件截面選型時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。這些位置的節點使用了鑄鋼節點。為了考慮鑄鋼節點對于整體桿件計算的影響，我們按照鑄鋼件大小，將鑄鋼件簡化為剛域進行了整體模擬。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計算的有剛域和無剛域時，位移和內力的計算結果。表中無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對加載情況進行了模擬，計算結果也表明結構安全。
4. 結 語
貴陽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標準(GB 50223-2008) [S].北京：中國建筑工業出版社，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：中國建筑工業出版社，2002
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