某異型空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇 健 周建爐

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

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某異型空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇 健 周建爐

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

結(jié)合具體工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，著重分析了異型鋼構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括圓管節(jié)點(diǎn)，異型H鋼與圓管連接節(jié)點(diǎn)等，介紹了格柵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過(guò)合理的分析設(shè)計(jì)，使整體結(jié)構(gòu)受力合理、安全，施工方便。

異型鋼結(jié)構(gòu)，圓管節(jié)點(diǎn)，格柵，傘狀格構(gòu)柱

1 工程概況

本工程位于安徽省合肥市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，用途為園區(qū)展廳，平面大約500 m2，建成后將成為園區(qū)內(nèi)的一個(gè)精致的亮點(diǎn)。圖1為整體效果圖，建筑為兩層，總高度最高點(diǎn)為15.550 m，1層層高6.750 m，在±0.000以下。±0.000以下及周邊部分為園區(qū)地下停車庫(kù)，此展廳原本設(shè)計(jì)為混凝土結(jié)構(gòu)，同地下停車庫(kù)整體設(shè)計(jì)計(jì)算。由于建筑造型復(fù)雜，多方討論混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)給施工及后期裝修造成很大的困難，業(yè)主改為全鋼結(jié)構(gòu)，柱腳設(shè)置在混凝土頂板之上，上部結(jié)構(gòu)單獨(dú)計(jì)算。工程設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，結(jié)構(gòu)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)形式為空間鋼框架體系，主要構(gòu)件為圓鋼管和H型鋼。屋面局部為輕鋼屋面，東北側(cè)懸挑展廳處為玻璃屋面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于整個(gè)建筑造型比較復(fù)雜，東北側(cè)有5 m多的懸挑玻璃展廳，整個(gè)西側(cè)門廳梁跨度近20 m，建筑師不希望展廳內(nèi)部有冗余的節(jié)點(diǎn)，并且要求整個(gè)玻璃展廳必須是統(tǒng)一的圓管截面。由于屋面標(biāo)高變化較多，且部分屋面不相連，因此不能簡(jiǎn)單的套以規(guī)范各種指標(biāo)參數(shù)，模型也不能以簡(jiǎn)單的“層”的概念去套用。采用3d3s軟件進(jìn)行整體空間計(jì)算及構(gòu)件設(shè)計(jì)，由于基礎(chǔ)底板厚度有限，柱腳采用外包式柱腳。結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2.1 荷載取值

±0.000處樓面板厚為120 mm，附加恒載取2.0 kN/m2，活載取3.5 kN/m2。屋面恒載(包括吊掛荷載)取1.0 kN/m2，活載按不上人屋面活載取為0.5 kN/m2，基本雪壓0.6 kN/m2，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2。由于異型板比較多，因此重力荷載施加根據(jù)計(jì)算施加在主次梁上，避免了軟件自動(dòng)進(jìn)行板面導(dǎo)荷載帶來(lái)的不準(zhǔn)確，橫向風(fēng)荷載依照實(shí)際幕墻支撐情況，主要施加在柱子上，對(duì)于一些跨度較大的梁，幕墻有支撐設(shè)置處，則施加相應(yīng)的橫向風(fēng)荷載。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于管結(jié)構(gòu)一般更適合作為軸心受力構(gòu)件，抗彎性能不如型鋼，因此不適合作為梁，東北處玻璃展廳的懸挑，要求截面必須是鋼管截面，在此采用了兩個(gè)設(shè)計(jì)原則，第一：增加斜拉桿，使懸挑展廳的重力荷載盡量通過(guò)斜拉桿以軸力的方式傳至柱子上，第二：圓管梁貫通，柱子作為懸挑梁的支點(diǎn)，且此梁柱節(jié)點(diǎn)壁需要加厚，如圖3所示。這樣做使得節(jié)點(diǎn)剛度加強(qiáng)，用以抵抗大懸挑產(chǎn)生的端部彎矩。圓管梁柱的連接為相貫焊接，理想模型為半剛接，對(duì)于半剛接，目前規(guī)范沒有清晰的界定，也沒有很好的計(jì)算方法。因此在建模計(jì)算時(shí)將節(jié)點(diǎn)分別定義為剛接及鉸接連接，取包絡(luò)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)仍然需要同圖3一樣加強(qiáng)。

梁柱節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)的外環(huán)式節(jié)點(diǎn)(如圖4所示)，規(guī)范要求0.25≤B/D≤0.75，且B≥0.7bf，bf是被連接鋼梁的翼緣寬度，外環(huán)板外伸部分與環(huán)板相接部分必須做成r≥10 mm的圓弧過(guò)渡，以減小應(yīng)力集中。為了滿足與幕墻的連接美觀，建筑要求角部及平面轉(zhuǎn)換處不得采用外環(huán)板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。而角柱和邊柱一般都承受較大的彎矩，所以此節(jié)點(diǎn)必須采取很好的加強(qiáng)措施，考慮到柱截面400 mm較小，設(shè)置內(nèi)環(huán)板會(huì)給施工帶來(lái)困難，因此采用增設(shè)加勁板的加強(qiáng)方式(如圖5所示)，加勁板厚度同環(huán)板厚度一致，且加勁板需要設(shè)置一定的長(zhǎng)度L，L長(zhǎng)度以其沿線對(duì)齊倒角邊為宜(圖5虛線)，這樣加強(qiáng)后的節(jié)點(diǎn)可以保證將梁端的不平衡彎矩傳至柱壁上。

本工程外裝飾為幕墻，幕墻結(jié)構(gòu)所有的橫向風(fēng)荷載都要傳到主結(jié)構(gòu)上，因此橫向風(fēng)荷載是主體結(jié)構(gòu)的主要控制荷載，較為理想的設(shè)計(jì)方法是將所有幕墻傳來(lái)的風(fēng)荷載傳至結(jié)構(gòu)柱，以柱為抵抗橫向荷載的主要構(gòu)件。本工程由于建筑外形復(fù)雜，幕墻與屋面梁有較多連接，而梁承受面外橫向荷載無(wú)法由可靠連接實(shí)現(xiàn)，因此需要采取加強(qiáng)措施。對(duì)于本工程，如圖6所示屋面1，鋼梁跨度約20 m，單靠鋼梁平面外抗彎無(wú)法抵抗橫向風(fēng)荷載，因此利用撐桿，將內(nèi)外側(cè)梁聯(lián)系起來(lái)，成為一個(gè)類似空腹桁架的結(jié)構(gòu)，用于抵抗幕墻構(gòu)件傳至梁上的風(fēng)荷載，屋面2在立面上呈現(xiàn)為30°坡屋面，采用H型鋼作為次梁，次梁承受屋面重力荷載的同時(shí)，也與主梁共同工作，形成空腹桁架，參與抵抗幕墻傳至主梁上的風(fēng)荷載。

3 格柵設(shè)計(jì)

為了增加建筑的整體效果，周邊設(shè)置格柵以作為園區(qū)的休閑區(qū)，格柵是鏤空的，整體只承受自身的重力荷載以及很小的風(fēng)荷載，從結(jié)構(gòu)計(jì)算的角度，鏤空格柵的計(jì)算非常簡(jiǎn)單，只要整體建模計(jì)算，分析主次梁的主從關(guān)系，對(duì)于懸挑端的撓度進(jìn)行控制即可。然而在施工圖的繪制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)具體的節(jié)點(diǎn)如果只按照普通管截面的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)(相貫焊接)很難滿足結(jié)構(gòu)模型中的假定。因此格柵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的另外一個(gè)難點(diǎn)，建筑師要求支撐格柵的柱子是由四根小直徑鋼柱拼成，頂部四根鋼柱傘狀打開，作為格柵的支撐。為了使建筑廊道比較清爽，建筑師只允許在較少的地方設(shè)置鋼柱(平面如圖7所示)，這使得屋面鋼梁有大的懸挑，最大懸挑處為7 m多，而且大都是X向次梁以Y向主梁為支座進(jìn)行懸挑，且建筑師要求Y向的主梁比X向的主梁截面小，X向截面為方鋼管400×200×12×12，Y向截面為方鋼管800×200×6×6。鋼柱為四根直徑為166、壁厚為10的圓管拼成。圓管柱與梁的連接，考慮到柱截面相對(duì)比較小，為了使梁荷載均勻的傳到柱壁上，采用加勁肋加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)(如圖8所示)，在柱頂?shù)姆戒摴軆?nèi)襯加勁板，這樣做避免了方鋼管管壁承受圓管柱的反力過(guò)大而使管壁發(fā)生鼓曲。同時(shí)對(duì)四個(gè)圓管支柱也設(shè)置加勁肋，具體做法是，在四肢圓管柱上預(yù)開槽口，將加勁板插入槽口焊接，使之成為一個(gè)單元(單元1)，然后將此柱單元在現(xiàn)場(chǎng)與梁連接。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程為全鋼結(jié)構(gòu)，體型變化較多，平面豎向均有不規(guī)則，中庭為局部大開洞，因此必須采用空間整體建模計(jì)算分析。由于體型的復(fù)雜，傳統(tǒng)的梁柱連接節(jié)點(diǎn)不能較好的適用于本工程，分析設(shè)計(jì)時(shí)考慮到理想節(jié)點(diǎn)與實(shí)際節(jié)點(diǎn)制作的差異，著重對(duì)異型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，設(shè)計(jì)出了適用于異型結(jié)構(gòu)，圓管結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)，并且對(duì)局部容易出現(xiàn)破壞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有效的加強(qiáng)。對(duì)于橫向風(fēng)荷載作用在梁上的情況，采用了增設(shè)支撐共同作用的方式，避免梁平面外破壞。設(shè)計(jì)了園區(qū)格柵構(gòu)件連接，對(duì)于傘狀格構(gòu)柱與方鋼管連接進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮到方便鋼結(jié)構(gòu)施工，對(duì)此類建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)有相應(yīng)的參考意義。

[1]GB 50011—2010，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3]童根樹.鋼結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)穩(wěn)定.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

Concerning on heterotypic steel structure design

Su Jian Zhou Jianlu

(ZhejiangUniversityBuildingAcademyCo.,Ltd,Hangzhou310028,China)

Combining with specific engineering design practice, the paper mainly analyzes heterotypic steel structure joint design including circular tube joint, heterotypic H steel and circular tube joint and so on, and introduces rigid joint design. Through rational analysis, it makes integral structure stress rational, safe and construction convenient.

heterotypic steel structure, circular-tube joints, grid, umbrella lattice column

1009-6825(2015)18-0035-03

2015-04-13

蘇 健(1981- ),男，工程師； 周建爐(1971- )，男，高級(jí)工程師

TU391

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