天津某產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合大樓鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

□文/朱黎蓬 杜恩閣

工程概述

天津某產(chǎn)業(yè)園區(qū)管委會大樓，集辦公、展覽、會議、商業(yè)等于一體。該項(xiàng)目主體4層，不含地下室，主體高度17.100 m，除首層層高為4.5 m外，其余各層層高均為4.2 m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，總面積24 000 m2，主要柱網(wǎng)8.1 m×8.1 m，局部抽柱形成跨度24.3 m的鋼連廊。首層及二層局部結(jié)構(gòu)平面見圖1和圖2。

圖1 首層局部結(jié)構(gòu)平面

圖2 二層局部結(jié)構(gòu)平面

該工程設(shè)計使用年限為25 a，抗震設(shè)防烈度7度（0.15g），場地類別為Ⅲ類場地。

結(jié)構(gòu)分析及計算

本工程主要采用SATWE軟件進(jìn)行分析，STS軟件進(jìn)行建模及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，同時采用ETABS軟件進(jìn)行豎向振型的補(bǔ)充計算。

鋼柱腳嵌固端的選取

工程采用外露式鋼柱腳，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)＋獨(dú)立承臺，承臺上設(shè)短柱作為鋼柱的支承，見圖3。

圖3 鋼柱基礎(chǔ)大樣

對于建模時鋼柱腳嵌固端位置的選取，有2種做法：一是選在短柱上皮，也就是圖3中標(biāo)高-0.560 m位置；另外一種是選在基礎(chǔ)上皮，也即標(biāo)高-1.150 m位置。對于以上2種作法，以往設(shè)計中都有采用。本工程設(shè)計時2種方案都進(jìn)行了建模，模型1采用第1種方法建模，模型2在模型1的基礎(chǔ)上增加一個標(biāo)準(zhǔn)層，把短柱建立進(jìn)去，模擬短柱對鋼柱的影響，短柱的嵌固端取在承臺上皮。對比2個模型的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的周期、位移比、位移角以及典型構(gòu)件內(nèi)力等并無明顯差別，說明基礎(chǔ)短柱的剛度相對于鋼柱的剛度足夠大。

對本工程而言，2種方案都是可取的。模型1的優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用計算結(jié)果對鋼柱腳進(jìn)行設(shè)計，缺點(diǎn)是短柱的配筋要根據(jù)鋼柱腳的內(nèi)力輸出結(jié)果進(jìn)行二次設(shè)計；模型2的優(yōu)點(diǎn)是可以直接得到短柱的配筋結(jié)果，缺點(diǎn)是鋼柱的柱腳要根據(jù)計算內(nèi)力進(jìn)行二次設(shè)計。為簡化計算，選用第1種方案。

恒載施工加載方式的模擬

一般混凝土多層結(jié)構(gòu)都是逐層施工，即剛度逐層形成，質(zhì)量逐層施加，其具體過程見圖4，采用SATWE軟件中的“模擬施工加載3”方式來模擬比較符合結(jié)構(gòu)在施工過程中的實(shí)際受力情況。

圖4 “模擬施工加載3”計算

鋼結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)一般是待主體鋼框架安裝完畢后，才逐層進(jìn)行樓板等的施工并且由于鋼結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量很輕，絕大部分樓層質(zhì)量都由樓板以及其上建筑面層與隔墻組成，故可以認(rèn)為其施工過程為剛度一次形成，而質(zhì)量逐層施加，其具體過程見圖5，故采用SATWE軟件中的“模擬施工加載1”方式來模擬施工過程中結(jié)構(gòu)的受力更加符合實(shí)際情況。這也是類似鋼框架設(shè)計計算時一個需要注意的地方。

圖5 “模擬施工加載1”計算

連廊選型及舒適度分析

為突出建筑特色，方案要求局部抽去2根鋼柱，從而形成跨度達(dá)24.3 m的鋼連廊，其主要承力構(gòu)件為人字形斜撐及上下弦桿和豎腹桿組成的跨度為24.3 m的鋼桁架，其立面見圖6。該連廊跨度較大，而鋼結(jié)構(gòu)相對較柔，人在上面行走時容易引起共振，故對舒適度的要求較高。

圖6 連廊結(jié)構(gòu)立面

初始結(jié)構(gòu)選型時，在圖6的中部兩節(jié)間同樣布置了人字形狀斜撐，這樣可以大大提高連廊部位的剛度，減小其撓度，增加舒適度。但是經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)此時結(jié)構(gòu)的位移比超過規(guī)范[1]要求的1.5，達(dá)到1.84并且在連廊的上下鄰近層產(chǎn)生剛度突變，形成了薄弱層。這是由于加斜撐后此部分結(jié)構(gòu)的剛度增大，而此處鄰近共享空間處質(zhì)量相對較小，質(zhì)心與剛心有較大偏移，從而造成結(jié)構(gòu)有較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。經(jīng)過多次試算，最終選擇了圖6的斜撐布置方式，取消中間一榀人字形斜撐，把左右兩榀人字形斜撐的聯(lián)系割斷，弱化其水平剛度，最大程度保證其豎向剛度，最終各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，該鋼桁架的豎向撓度為20 mm，小于規(guī)范[2]要求的桁架跨度的1/400，即 60.750 mm，實(shí)際制作時要求該鋼桁架起拱40 mm，以確保觀感要求。

下面分析在人群荷載激勵下連廊是否會產(chǎn)生豎向共振。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，人群步行激勵的頻率為1.6～2.4 Hz，只要連廊的豎向自振頻率遠(yuǎn)離人群步行激勵的頻率，就不會產(chǎn)生共振。

利用ETABS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自振特性分析，其前20階振型參數(shù)見表1。

表1 前20階振型信息及質(zhì)量參與系數(shù)

根據(jù)表1的計算結(jié)果，前20階振型中，僅第5、16、17、18、19振型為豎向振型。而觀察其振動模態(tài)，均為結(jié)構(gòu)周邊懸挑構(gòu)件的豎向局部振動并未見到連廊部位的豎向振動，說明連廊的豎向振動頻率遠(yuǎn)離人群步行激勵的頻率，故不會產(chǎn)生共振。

共享空間處風(fēng)荷載的正確模擬

對于一般結(jié)構(gòu)，進(jìn)行風(fēng)荷載計算的時候，程序把各層的風(fēng)荷載施加于結(jié)構(gòu)的質(zhì)心處，這種簡化作法對于各抗側(cè)力構(gòu)件（本文特指鋼框架柱）可以滿足工程設(shè)計的精度要求。但是本結(jié)構(gòu)的首層及二層有局部的共享空間，產(chǎn)生了2根越層柱作為建筑外維護(hù)玻璃幕墻的水平及豎向承力構(gòu)架，這2根鋼框架柱依舊按照常規(guī)做法，把該層的風(fēng)荷載施加于結(jié)構(gòu)的樓層質(zhì)心處，會造成本層所有豎向構(gòu)件共同抵抗越層柱外圍建筑幕墻傳來風(fēng)荷載的假象，對越層柱的計算結(jié)果不安全。故實(shí)際計算時應(yīng)按照規(guī)范[4]手工導(dǎo)算2根越層柱承受的風(fēng)荷載，然后通過操作SATWE軟件中的“水平風(fēng)荷載查修/修改”菜單，人為修改程序的導(dǎo)荷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)越層柱風(fēng)荷載的正常施加，以保證特殊構(gòu)件計算結(jié)果的安全可靠。

凈截面和毛截面比值的正確理解與合理運(yùn)用

目前鋼結(jié)構(gòu)梁柱及主次梁的連接節(jié)點(diǎn)常采用螺栓連接或栓焊混合連接。本工程梁柱節(jié)點(diǎn)的連接做法采用的是栓焊混合連接，主次梁連接采用螺栓連接。螺栓連接必然對構(gòu)件截面造成一定的削弱，合理考慮螺栓孔對構(gòu)件截面的削弱是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要問題。根據(jù)規(guī)范[2]要求，梁的受彎強(qiáng)度計算和柱的壓彎強(qiáng)度計算需要考慮螺栓孔的削弱作用。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)繁多，很難精確考慮螺栓孔對構(gòu)件截面的影響，而此影響對結(jié)構(gòu)的安全及工程經(jīng)濟(jì)合理性有比較大影響，當(dāng)過分考慮螺栓孔的削弱作用時，會使構(gòu)件用鋼量增大而導(dǎo)致浪費(fèi)，反之會造成設(shè)計結(jié)果不安全。為此SATWE軟件提出了參數(shù)“鋼結(jié)構(gòu)截面凈毛截面比”來近似考慮螺栓孔的削弱影響，經(jīng)大量試算，發(fā)現(xiàn)該比值大約為0.85左右，當(dāng)填寫此參數(shù)時，軟件的后處理中構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計結(jié)果會取計算結(jié)果與此結(jié)果的乘積，以近似考慮螺栓孔對構(gòu)件截面的削弱。

結(jié)合本工程的設(shè)計計算，設(shè)計過程中應(yīng)用此參數(shù)時需要注意以下幾點(diǎn)問題。

（1）多次計算。在設(shè)計驗(yàn)算時，程序并不區(qū)分構(gòu)件的連接方式與截面區(qū)段，比如梁不區(qū)分是剛接還是鉸接，也不區(qū)分跨中截面或支座截面；另外也不是所有的構(gòu)件截面都受到螺栓孔的削弱作用，比如柱貫通型的節(jié)點(diǎn)，鋼柱的截面并未受到削弱，故當(dāng)查看設(shè)計結(jié)果時，應(yīng)當(dāng)把柱的強(qiáng)度輸出結(jié)果除以凈毛截面比，才是真實(shí)的柱強(qiáng)度計算結(jié)果；再比如鉸接次梁，其計算結(jié)果的查看同樣要除以凈毛截面比，因?yàn)榇瘟旱膹澗乇容^大的截面（如跨中截面）都未削弱，而其受到削弱的部位（支座截面）只需要進(jìn)行受剪驗(yàn)算，而受剪計算采用的是毛截面。

（2）詳細(xì)計算。采用鋼結(jié)構(gòu)截面凈毛截面比主要是針對鋼框架梁的支座處，但是鋼框架梁又有很多種類，不可能去一一核算其該參數(shù)的取值，當(dāng)對計算結(jié)果有疑問的時候，應(yīng)當(dāng)查看STS軟件的“全樓節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計”，該模塊對梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件采用真實(shí)的螺栓排列及螺栓孔影響計算構(gòu)件截面的強(qiáng)度，是精確計算。

結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法

精細(xì)的計算必不可少，合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造也十分重要，它使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力與結(jié)構(gòu)的計算假定保持一致，保證設(shè)計安全合理。

嵌砌砌塊填充墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

采用砌塊作為建筑墻體材料。由于鋼結(jié)構(gòu)的剛度相對較弱，而砌塊墻的剛度較大，為了合理考慮填充墻剛度對結(jié)構(gòu)的影響，除在地震作用計算時對結(jié)構(gòu)的周期進(jìn)行折減外，在砌塊墻與鋼柱嵌砌時，兩者之間填充30 mm柔性材料（聚苯板），以削弱砌塊填充墻對鋼框架的不利影響，做法見圖7。

圖7 砌塊墻與鋼框柱連接節(jié)點(diǎn)

鋼柱柱腳做法

鋼柱的柱腳由于和土壤等接觸，銹蝕嚴(yán)重，使用過程中造成較大安全隱患，對此鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[2]對鋼柱柱腳的包裹做法提出嚴(yán)格要求并列為規(guī)范強(qiáng)制性條文。根據(jù)規(guī)范意見并參考有關(guān)圖集，有2種做法可以滿足要求，見圖8。

圖8 柱腳做法

對比2種做法，做法2對鋼柱腳的保護(hù)程度最好，但是由于做法2會給建筑裝修造成較大困難，故采用做法1。但是采用做法1有個前提，即土壤中不能存在侵蝕性介質(zhì)作用，當(dāng)存在侵蝕性介質(zhì)作用時，或者采用做法2，或者對地基進(jìn)行材料換填，把侵蝕性介質(zhì)去除，用較好土壤代替。柱腳做法應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，它關(guān)系到使用過程中結(jié)構(gòu)的安全。

鋼桁架節(jié)點(diǎn)做法

鋼桁架是結(jié)構(gòu)的重要部位，其連接節(jié)點(diǎn)均采用等強(qiáng)連接，焊縫要求采用全融透焊縫并要求100%探傷，以策安全，做法見圖9。

圖9 鋼桁架連接節(jié)點(diǎn)做法

結(jié)語

當(dāng)前，軟件的運(yùn)用更加靈活，對軟件的原理有深入的認(rèn)識，再加上工程師豐富的經(jīng)驗(yàn)才能作出更加優(yōu)秀的設(shè)計，才能貫徹國家對建筑工程安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。

[1]GB50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2008年版）[S].

[2]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]孫利民，閆興非.人行橋人行激勵振動及設(shè)計方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，32（8）：21-24.

[4]GB5009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范(2006年版)[S].