雁回門鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)報(bào)告

歐盛

（廣東省　廣州市　510000）

雁回門鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)報(bào)告

歐盛

（廣東省廣州市510000）

進(jìn)入21世紀(jì)，建筑科學(xué)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，隨著新型建筑材料的不斷出現(xiàn)，混凝土加結(jié)構(gòu)工程加固施工方法也將會有更大的拓展。據(jù)此，鋼結(jié)構(gòu)施工方案的設(shè)計(jì)也將具有更廣泛的發(fā)展空間。本文重點(diǎn)對雁回門工程的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論述。

鋼結(jié)構(gòu)；方案設(shè)計(jì)；混凝土

1　工程概況

雁回門設(shè)計(jì)靈感源自我國傳統(tǒng)的月亮門與雁回，形態(tài)上意在表達(dá)“雁回待飛”——如金色大雁準(zhǔn)備展翅騰飛之意境，又如天際中一道月亮門迎接四方賓客。

雁回門位于新區(qū)北角，仿佛張開雙臂擁抱未來，迎接世界的關(guān)注。無論從各條路以及地面廣場均可全方位視角觀看到直徑30m橢圓球幕，醒目而充滿動感。作為一尊現(xiàn)代雕塑，與高架交叉系統(tǒng)曲線交錯渾然一體，宛如一條綢帶在空中飛舞張揚(yáng)。

2　本設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)范規(guī)程及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

（1）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）；

（2）《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）；

（3）《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001）；

（4）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）；

（5）《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50233-2004）；

（6）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）；

（7）《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700-2006）；

（8）《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-2008）；

（9）《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98）。

3　計(jì)算軟件

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的計(jì)算分析軟件為SAP2000V14.1.0與Midas en Ver.800。

4　材料

（1）本工程結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)主要為Q345B。Q345B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-2008）現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，其應(yīng)均具有屈服強(qiáng)度、抗拉極限強(qiáng)度、伸長率、沖擊試驗(yàn)，冷彎試驗(yàn)和C、S、P含量的合格保，對于局部應(yīng)力較大的部位采用Q420B；

（2）本工程用的鋼材屈服強(qiáng)度實(shí)測值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測值的比值不應(yīng)大于0.85；應(yīng)有明顯的屈服臺階；伸長率應(yīng)大于20％；應(yīng)有良好的焊接性和合格的沖擊韌性；

（3）鋼管混凝土的混凝土強(qiáng)度等級為C40。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明

5.1結(jié)構(gòu)機(jī)理分析

造型新穎，在設(shè)計(jì)過程中存在以下幾個難點(diǎn)：

（1）整體結(jié)構(gòu)高度較高，環(huán)的邊長從底部的5.2m縮小到中部的4.4m最后增加至頂部的15.2m，這種上大下小的結(jié)構(gòu)對整體受力不利，也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部的受力過大；

（2）環(huán)的落地點(diǎn)距離太近，對結(jié)構(gòu)的抗傾覆不利；

（3）橢球的所處的高度較高，與環(huán)的連接節(jié)點(diǎn)較少，橢球的扭轉(zhuǎn)以及側(cè)移可能較大；

（4）由于環(huán)的不對稱性將加劇橢球的扭轉(zhuǎn)。

綜合考慮結(jié)結(jié)構(gòu)造型、結(jié)構(gòu)自重、變形等，對各種方案進(jìn)行比選，最終采用了空間桁架+鋼筋混凝土基礎(chǔ)的混合結(jié)構(gòu)體系（坐標(biāo)軸的確定：橢球長軸為X向，短軸為Y向，原點(diǎn)定于地面）。

5.2結(jié)構(gòu)體系布置

雁回門的主要尺寸可詳見概念設(shè)計(jì)圖?？臻g鋼桁架+鋼筋混凝土基礎(chǔ)的混合結(jié)構(gòu)體系可分為環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)（A部分）、橢球鋼結(jié)構(gòu)（B部分）、本報(bào)告主要針對A、B兩部分的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。

針對結(jié)構(gòu)A，其鋼桁架桿件均采用圓鋼管，相貫焊接。外圍弦桿管徑根據(jù)內(nèi)力大小由φ1500×50漸變至φ500×16，在橢球中心面（標(biāo)高34.32m）以下，采用交叉斜桿，在中心面以上，采用單斜桿（見圖1），以降低結(jié)構(gòu)自重和簡化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，腹桿的截面規(guī)格為φ700×30～φ351×8。

圖1　結(jié)構(gòu)A斜桿構(gòu)造示意圖

環(huán)形結(jié)構(gòu)與混凝土基座相連的桿件采用φ1500×50、φ700× 30鋼管混凝土。

結(jié)構(gòu)B則采用平面桁架結(jié)構(gòu)體系，通過各個撐桿將各榀桁架聯(lián)系成一個整體，并通過6個點(diǎn)與結(jié)構(gòu)A相連，由于建筑造型問題，橢球左右兩邊的寬度不一樣，這或許會影響到后期的美觀或者使用，故建議建筑對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

6　計(jì)算模型建立

本工程采用的主要計(jì)算程序?yàn)榻Y(jié)構(gòu)有限元軟件為SAP2000v14.1.0。SAP2000為國際上通用的有限元計(jì)算分析程序，其計(jì)算分析功能強(qiáng)大，9.0以上的版本中加入了中國規(guī)范，可采用中國規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算[1]。另外本工程還采用Midas Gen Ver.800進(jìn)行校核對比[2]。

在AUTOCAD2004中建立結(jié)構(gòu)的三維模型，然后導(dǎo)入SAP2000中進(jìn)行計(jì)算。采用的計(jì)算單元主要有梁單元和殼單元。在程序中建立了結(jié)構(gòu)的整體模型。

整體模型如圖2。

圖2　結(jié)構(gòu)整體模型

之后建立虛擬面，施加荷載，現(xiàn)以風(fēng)荷載為例，通過模型表示其加載情況。風(fēng)荷載按兩種工況施加，即Y軸左向風(fēng)，Y軸右向風(fēng)，分別對應(yīng)工況W1、W2（其中為了安全起見，橢球按其在豎直方向的投影面加載）。

7　結(jié)構(gòu)靜力分析主要結(jié)果

主要控制節(jié)點(diǎn)的位移：

表1列出主要控制節(jié)點(diǎn)在正常使用極限狀態(tài)下的三個方向的位移，主要控制點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)441、結(jié)構(gòu)B與結(jié)構(gòu)A相連的6個點(diǎn)。

表1　結(jié)構(gòu)各個控制點(diǎn)在正常使用極限狀態(tài)的位移（單位：mm）

由上述計(jì)算可以看出，SAP2000的計(jì)算的結(jié)構(gòu)與Midas的結(jié)果非常接近，最高點(diǎn)的側(cè)移與高度的比值為：218.50/57070=1/261<1/250，結(jié)構(gòu)B的最大側(cè)移與標(biāo)高的比值為：116.86/34322=1/294≈1/300，滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》與《高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

8　結(jié)構(gòu)動力分析主要結(jié)果

8.1結(jié)構(gòu)自振周期和陣型質(zhì)量參與系數(shù)

使用特征值向量法計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的前500階階模態(tài)，使各個方向的陣型質(zhì)量參與系數(shù)大于0.9，對比了SAP2000與Midas前 10階的周期，兩者的誤差在6％左右，這與內(nèi)力、反力的誤差相比，誤差較大，這主要是由于Midas與SAP2000在殼單元的定義有區(qū)別，也正因?yàn)檫@方面的差異將導(dǎo)致由于地震作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不同，考慮到SAP2000中的殼單元更符合實(shí)際，故本工程的動力分析結(jié)果均以SAP2000的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。

8.2結(jié)構(gòu)主要模態(tài)視圖

結(jié)構(gòu)的主要振型見圖3～5。

圖3　第1振型（Y向振動為主）

圖4　第2振型（X向振動為主）

圖5　第3振型（扭轉(zhuǎn)）

9　結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析得到的結(jié)構(gòu)的主要桿件的應(yīng)力比：

根據(jù)反應(yīng)譜分析得到承載能力極限狀態(tài)下（地震作用參與組合）結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6～9所示。

圖6　結(jié)構(gòu)A的桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)結(jié)果（SAP2000）

圖7　結(jié)構(gòu)A的桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)結(jié)果（Midas）

地震作用下的應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果顯示，最大的應(yīng)力比不超過0.5，進(jìn)一步同圖9比較可見，桿件在地震作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比比靜力分析結(jié)果要小。因此，地震作用不起控制作用。

圖8　結(jié)構(gòu)B的桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)結(jié)果（SAP2000）

圖9　結(jié)構(gòu)B的桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)結(jié)果（Midas）

總的來說，通過對該結(jié)構(gòu)的靜動力分析，以及對該結(jié)構(gòu)在各種工況組合下的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算，結(jié)果均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。故該結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)是可行的，也安全可靠的。

10　結(jié)構(gòu)用鋼量

結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B各分項(xiàng)用鋼量（按軸線長度計(jì)算）如表2所示。

表2　結(jié)構(gòu)分項(xiàng)用鋼量（單位：t）

11　結(jié)論及建議

通過對該結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)，可得到以下幾條結(jié)論及建議：

（1）空間桁架+鋼筋混凝土基座的混合結(jié)構(gòu)體系合理，用鋼量指標(biāo)也在合理范圍，結(jié)構(gòu)的變形也在規(guī)范允許之內(nèi)，故該方案可行，安全可靠；

（2）兩個落地點(diǎn)的距離可適當(dāng)加大，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度；

（3）對建筑造型在橢球進(jìn)行微調(diào)，使其橢球左右兩側(cè)的寬度一致；

（4）采用較輕的表皮材料，降低結(jié)構(gòu)自重；

（5）建議做對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以進(jìn)一步確定風(fēng)荷載的準(zhǔn)確取值。

[1]SAP2000中文版使用指南.北京：人民交通出版社，2011.

[2]midas Gen分析手冊原理說明.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

TU391

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1673-0038（2015）17-0036-03

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