某會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王彥斌

（甘肅省建設(shè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

某會(huì)議中心建筑外形呈花瓣綻放狀橢圓形，工程建筑面積為10.5萬(wàn)m2，地下1層，地上5層，建筑高度為64.5m。為滿(mǎn)足會(huì)議功能要求，5樓設(shè)計(jì)為宴會(huì)廳，宴會(huì)廳高度為14m，空間設(shè)計(jì)規(guī)格為100.8×64.8m。主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆框剪剪力墻結(jié)構(gòu)，局部采用鋼混結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。由于本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋較為復(fù)雜，最大跨度為45m，結(jié)構(gòu)受力較大，為確保鋼結(jié)構(gòu)屋蓋穩(wěn)定性，本文對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究[1]。

1 屋蓋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)為平面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)雙側(cè)均由3片鋼結(jié)構(gòu)組成，3片鋼結(jié)構(gòu)自下而上分為3層，尺寸不一，且均存在一定程度的外挑。上片結(jié)構(gòu)為鋼屋蓋主體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為確保上屋蓋主體結(jié)構(gòu)與中片、下片鋼結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)銜接，在5層上部區(qū)域增設(shè)雙向鋼桁架轉(zhuǎn)換鋼柱，以滿(mǎn)足屋蓋鋼結(jié)構(gòu)支承要求。屋蓋中篇與主體結(jié)構(gòu)連接。由于下片鋼結(jié)構(gòu)懸挑尺寸較大，在結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)時(shí)，沿下部鋼結(jié)構(gòu)外沿設(shè)置斜鋼柱作為結(jié)構(gòu)支承。斜鋼柱根據(jù)下部鋼結(jié)構(gòu)造型變化，斜鋼柱長(zhǎng)度在23～29m范圍內(nèi)，傾斜角度為8°～19°。

三片鋼結(jié)構(gòu)在會(huì)議中心尾部收縮靠近，在支座部位形成整體，支承在會(huì)議中心主體結(jié)構(gòu)混凝土樓面上。三片鋼結(jié)構(gòu)尾部收縮為“牛角”形，最大懸挑跨度達(dá)45m，荷載集中，懸挑部分結(jié)構(gòu)受力大。為分散結(jié)構(gòu)荷載，屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用H型鋼，尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓鋼管，均為Q345-B型材質(zhì)。

在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為便于研究鋼結(jié)構(gòu)整體荷載和穩(wěn)定性，使用MidasGen軟件建立屋蓋鋼結(jié)構(gòu)三維模型，與下部主體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。計(jì)算時(shí)，主體結(jié)構(gòu)為鋼混結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，兩者材質(zhì)不同，阻尼比存在差異，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，屋蓋結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)阻尼比分別取0.03、0.05，并綜合考慮兩者之間的相互作用影響，以此研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性[2]。

2 鋼結(jié)構(gòu)線(xiàn)荷載與效應(yīng)組合

通過(guò)建立三維結(jié)構(gòu)荷載模型，分析研究荷載類(lèi)型和荷載組合如下：

2.1 荷載類(lèi)型

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)恒載標(biāo)準(zhǔn)值為0.7kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)取值0.5kN/m2，基本風(fēng)壓按50年重新期取值0.4kN/m2，地面粗糙度B類(lèi)。由于會(huì)議中心造型較為特殊，考慮到屋蓋結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)遇大風(fēng)時(shí)的兜風(fēng)作用，在風(fēng)荷載驗(yàn)算時(shí)按1.4kN/m2（滿(mǎn)布）、0.8kN/m2（半部）和0.8kN/m2（半布風(fēng)吸力）計(jì)算。

溫度荷載核算時(shí)，針對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)縱向、橫向跨度較大的情況，屋蓋結(jié)構(gòu)受溫度作用影響顯著，考慮到會(huì)議中心所在地區(qū)季節(jié)溫差較大，因此，溫度荷載取值為±25℃溫差計(jì)算。

本工程抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震分組為第Ⅰ組，場(chǎng)地類(lèi)別類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)軟弱地質(zhì)。

2.2 荷載組合

在鋼結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，綜合考慮屋蓋結(jié)構(gòu)整體恒荷載、風(fēng)荷載、活荷載及地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，風(fēng)振系數(shù)取1.3，則驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)荷載組合為：①1.2恒載+1.4活載；②1.0恒載+1.4風(fēng)載（吸）；③1.2恒載+1.4活載+1.4×0.6風(fēng)載；④1.2恒載+1.4風(fēng)載+1.4×0.7活載；⑤1.2恒載+溫度荷載；⑥1.2恒載+1.4活載+問(wèn)對(duì)荷載；⑦1.0恒載+1.4風(fēng)載（吸）+溫度荷載；⑧1.2恒載+1.2×0.5活載+1.3地震+0.7風(fēng)載；⑨1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.6風(fēng)載。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主桁架設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)主桁架設(shè)計(jì)時(shí)，以橫向11榀桁架和和3榀縱向桁架組成雙向轉(zhuǎn)換桁架。橫向桁架布設(shè)間距為8.4m，跨度64.8m。根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)造型，中間桁架高度為6.0m，兩側(cè)橫向桁架以0.6m幅度下降高度，邊緣橫向桁架高度為3.0m?？v向桁架高度呈梯形下降趨勢(shì)?？紤]到會(huì)議中心內(nèi)部功能性要求和建筑吊頂要求，縱、橫向桁架底部高度保持一致。

橫向桁架上下弦桿、腹桿均為寬翼緣H型鋼。為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在橫咋桁架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)3種弦桿（H700型H型鋼）、腹桿（H350型H型鋼）組合方案，并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)比較。方案①：桁架兩側(cè)與鋼柱剛接，腹桿和弦桿采用鉸接連接方式；方案②在方案①基礎(chǔ)，調(diào)整距支座第二節(jié)間距斜腹桿方向，桁架與鋼柱連接采用鉸接方式，與第一節(jié)平行；方案③在方案②基礎(chǔ)上將桁架連接調(diào)整為剛接[3]。

經(jīng)驗(yàn)算3種方案荷載，在恒載和活載組合作用下，3種方案變形分別為96.94mm、100.86mm、98.91mm，其中，方案①變形較小，但上弦桿和弦桿應(yīng)力比差異較大（0.886、0.707），接近于材料設(shè)計(jì)值。方案②將第二節(jié)斜腹桿壓桿通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整為拉桿，有效降低了腹桿受到應(yīng)力，但結(jié)構(gòu)變形略有增加。與方案②相比，方案③上弦桿應(yīng)力減小，下弦桿和腹桿應(yīng)力增加，但均小于方案①，且方案③上、下弦桿受到的應(yīng)力均為均衡，變形量小于方案①和方案②。經(jīng)綜合對(duì)比三種方案結(jié)構(gòu)受力，本設(shè)計(jì)選用方案③作為主桁架設(shè)計(jì)方案。

鋼柱作為桁架支承結(jié)構(gòu)，其承載力性能應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)采用截面1600mm×1200mm鋼柱，經(jīng)驗(yàn)算，鋼柱結(jié)構(gòu)承載力和變形均符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求?？紤]到橫桁架跨中腹桿應(yīng)力較低，將部分腹桿調(diào)整為H300型鋼后，桁架位移增大，最大位移為105.54mm，能夠滿(mǎn)足腹桿L/400跨中要求，因此，腹桿對(duì)桁架剛度貢獻(xiàn)較大，僅調(diào)整腹桿大小，即導(dǎo)致哦桁架剛度下降、位移增加，增加腹桿長(zhǎng)度則桁架剛度增加、位移減少，

3.2 屋蓋尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在屋蓋尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿(mǎn)足屋蓋結(jié)構(gòu)尾部造型要求，支撐結(jié)構(gòu)最大跨度為45m，里面造型需達(dá)到鏤空效果，如上中下三片鋼結(jié)構(gòu)分散受力支承必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度增加，且在結(jié)構(gòu)尾部造成三片鋼結(jié)構(gòu)重疊，不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)造型要求?；谠搯?wèn)題，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須將鋼結(jié)構(gòu)在屋蓋尾部形成共同受力結(jié)構(gòu)體系，豎向投影重疊部分增加，并能夠體現(xiàn)層次變化，但難以找出受力結(jié)構(gòu)空間，因此，設(shè)計(jì)屋蓋尾部結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)結(jié)合屋蓋造型變化，通過(guò)變截面倒三角桁架將鋼結(jié)構(gòu)荷載傳導(dǎo)至支承結(jié)構(gòu)，從而滿(mǎn)足三片鋼結(jié)構(gòu)受力要求。三角桁架設(shè)計(jì)置于中片、下片結(jié)構(gòu)內(nèi)，由于尾部鋼結(jié)構(gòu)懸挑較大，單獨(dú)受力難度較大，借助桿件將兩片鋼結(jié)構(gòu)組合形成四邊形桁架，通過(guò)將兩種咋桁架組合形成受力結(jié)構(gòu)體系。組合受力結(jié)構(gòu)體沿中、下片鋼結(jié)構(gòu)水平布置，每4m設(shè)置一道，且組合受力體系隨尾部結(jié)構(gòu)逐漸減小，尾部倒三角桁架尺寸為2.7m[4]。

尾部桁架受力構(gòu)件為鋼管，鋼管構(gòu)件選擇直接影響結(jié)構(gòu)受力，從而影響屋蓋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)已有研究成果和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主管直徑與支管直徑比為1∶0.4～1∶0.75時(shí)，壁厚比為1∶0.5～1∶0.8時(shí)，桁架受力均衡。在尾部桁架受力計(jì)算中，按0.9計(jì)弦桿長(zhǎng)度系數(shù)，腹桿長(zhǎng)度系數(shù)取0.75，受彎管件剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)性能對(duì)長(zhǎng)度和計(jì)算影響較大，但尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可按1.0驗(yàn)算。桁架受力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，下弦桿選用直徑400mm厚14mm鋼管，腹桿選用直徑273mm厚10mn、直徑219mm厚度9mm和直徑159mm厚度8mm的鋼管，經(jīng)驗(yàn)算管件受力能夠滿(mǎn)足尾部鋼結(jié)構(gòu)受力要求。尾部桁架設(shè)計(jì)為管式交匯相貫通節(jié)點(diǎn)，主管與支管軸線(xiàn)夾角大于30°，支管管間間距大于5mm，防止焊接時(shí)因距離過(guò)小而會(huì)影響焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)受力。

3.3 尾部支座設(shè)計(jì)

會(huì)議中心屋蓋尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14個(gè)支座，采用鉸接方式連接，防止混凝土構(gòu)件承受鋼結(jié)構(gòu)彎矩。支座落在主體結(jié)構(gòu)預(yù)埋件上，最大支座壓力大于1600kN，最大水平向推力大于1800kN。由于預(yù)埋件承受的剪力較大，為平衡剪力作用，將預(yù)埋件頂面設(shè)計(jì)為15°傾角，將水平推力轉(zhuǎn)為支座的拉應(yīng)力，從而降低尾部桁架結(jié)構(gòu)受力體系對(duì)預(yù)埋件的剪力作用[5]。

此外，針對(duì)支座結(jié)構(gòu)受力較大的情況，對(duì)支座部位混凝土受壓承載力進(jìn)行驗(yàn)算，支座混凝土厚度增加至600mm，并加強(qiáng)配筋至0.25%后可滿(mǎn)足支座受力要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程中，屋蓋結(jié)構(gòu)采用大跨度雙向桁架屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系，主跨桁架兩側(cè)與鋼柱采用剛接方式連接，腹桿與弦桿采用鉸接方式連接，斜腹桿采用受拉設(shè)計(jì)。經(jīng)對(duì)比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案受力合理、均衡，可滿(mǎn)足屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性、安全性要求。屋蓋尾部結(jié)構(gòu)采用倒三角桁架與四邊形鋼管組合形成的受力結(jié)構(gòu)，并通過(guò)管件型號(hào)選擇，滿(mǎn)足了尾部結(jié)構(gòu)受力要求。通過(guò)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保障了結(jié)構(gòu)受力的前提下，實(shí)現(xiàn)了會(huì)議中心造型設(shè)計(jì)要求，提高了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性。