宜春交通樞紐工程屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計★

建慧城 周一一 李林峰

(1.江蘇筑森建筑設(shè)計股份有限公司，江蘇 常州 213000; 2.常州工學(xué)院,江蘇 常州 213002)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

宜春交通樞紐工程屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計★

建慧城1周一一2李林峰1

(1.江蘇筑森建筑設(shè)計股份有限公司，江蘇 常州 213000; 2.常州工學(xué)院,江蘇 常州 213002)

分析了宜春市新火車站綜合交通樞紐工程屋面建筑造型特點，通過比選常用的幾種結(jié)構(gòu)體系，選取了高度較小的交叉梁結(jié)構(gòu)，并采用有限元軟件，對結(jié)構(gòu)體系在各荷載工況和組合下的靜力及動力作了分析，得到了結(jié)構(gòu)的受力和變形特點，確保了屋面鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

交叉梁結(jié)構(gòu)，靜力分析，斜鋼柱，節(jié)點設(shè)計

1 工程概況

本工程位于江西省宜春市袁州區(qū)，為大型交通公共建筑，項目總面積為148 897 m2，其中地上建筑面積為69 965 m2，為配套商業(yè)、辦公；地下建筑面積為78 933 m2，為非機(jī)動車庫、機(jī)動車庫等。建筑外形模擬現(xiàn)代交通工具以流線型為主題進(jìn)行外觀設(shè)計。以火車站房為視覺主體，形成中間高，兩側(cè)低，中間穩(wěn)重，兩翼齊飛的總體態(tài)勢。以金屬和玻璃的水平線條為主要的立面元素，結(jié)合動態(tài)的夜景照明，突出建筑組群的連續(xù)感和流動感。細(xì)部簡潔，突出整體的體型變化，充分體現(xiàn)時代感和速度感，呼應(yīng)交通建筑的自身特征，效果如圖1所示。

主體結(jié)構(gòu)共分5個區(qū)，如圖2所示。本文主要研究3區(qū)長途客運主站屋的鋼結(jié)構(gòu)屋面。3區(qū)主體為鋼框架和混凝土框架組合結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼交叉梁體系、側(cè)邊斜柱采用真假相結(jié)合鋼管柱，其余部位采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2 屋蓋選型

結(jié)合屋面結(jié)構(gòu)造型及立面要求，通過對各種結(jié)構(gòu)形式的特點及結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，初步提出以下三種結(jié)構(gòu)方案：交叉梁結(jié)構(gòu)，平板網(wǎng)架，管桁架。在特定的荷載和約束作用下通過對上述幾種方案進(jìn)行分析比選，網(wǎng)架雖然用鋼量相對較低但是結(jié)構(gòu)本身的高度太大，因而無法滿足立面造型要求，管桁架雖然造型美觀但是造價相對較高；最后經(jīng)過綜合考慮確定選用交叉梁結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)基本特性分析

3.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS Gen進(jìn)行分析，全部桿件均定義為梁單元，同時在節(jié)點之間建立板單元用以施加面荷載，為了減少對結(jié)構(gòu)的影響和方便計算分析，模型中將板單元材料的彈性模量按極小值輸入。交叉梁和斜柱等構(gòu)件均采用Q345B鋼材，主要截面分別為H1 200×350×16×25，H1 200×300×16×25，H900×300×14×25；φ920×30，φ920×16等。斜鋼柱與交叉梁之間主要采用栓焊連接，在受力比較大和復(fù)雜的部位采用鑄鋼件過渡。

3.2 結(jié)構(gòu)荷載取值

本工程考慮的主要荷載有：1)恒載(DL)，主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件、屋面板、吊頂和下掛物等的自重，其中結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動計算而得，屋面板等自重按面荷載輸入模型中合計值為1.5 kN/m2；2)活載(LL)，屋面活荷載按0.5 kN/m2取值；3)雪荷載0.4 kN/m2，其比屋面活荷載小，不起控制作用；4)風(fēng)荷載(W)：0.3 kN/m2(50年一遇風(fēng)壓值)；5)地震作用(E)：按6度，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類；6)溫度作用(T)：宜春市的月平均最低氣溫為-3 ℃、月平均最高氣溫為38 ℃，考慮施工條件等計算時取±25 ℃。分析時考慮的主要荷載組合如表1所示。

3.3 靜力分析

結(jié)構(gòu)變形計算時考慮多種荷載工況組合，其中最不利荷載組合為“1.0DL+1.0LL+0.6T”，在最不利組合工況下結(jié)構(gòu)懸挑端的最大的豎向位移為76 mm。

由于結(jié)構(gòu)屬于單側(cè)懸挑為12 m，從變形圖上可以明顯看出在端頭豎向變形最大，然后向支座處逐漸變小；其他部位由于跨度不大豎向位移也相對較小。

結(jié)構(gòu)承載力計算時考慮表1中的所有工況組合，單元應(yīng)力采用基于Mises屈服準(zhǔn)則計算的等效應(yīng)力，在最不利工況組合下的結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為271.4 MPa，滿足規(guī)范值要求；所有構(gòu)件的應(yīng)力比均控制在0.90以下，如圖3所示。

表1 荷載組合工況表

3.4 振型分解反應(yīng)譜分析

本工程整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度、設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.35 s，阻尼比ξ=0.02，對鋼結(jié)構(gòu)部分施加X向和Y向單維地震激勵。多遇地震作用下，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.04g，結(jié)構(gòu)基本周期大于Tg且小于5Tg，地震影響系數(shù)曲線包含直線段和曲線下降段。

由于處于地震烈度6度區(qū)，本工程可以不考慮豎向地震的影響。計算地震作用時采用重力荷載代表值，考慮各振型之間的相關(guān)性，采用CQC法進(jìn)行振型組合。振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果如表2所示。考慮多種地震參與的組合后，經(jīng)過計算可以得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大等效應(yīng)力為234.6 MPa，滿足規(guī)范限制的要求。

表2 振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果

3.5 整體協(xié)同工作分析

將鋼結(jié)構(gòu)屋面加入到整體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行復(fù)核分析，模型如圖4所示。主體結(jié)構(gòu)主要為混凝土框架，梁和柱采用梁單元、樓板采用板單元模擬。

經(jīng)過對比分析可知:鋼結(jié)構(gòu)屋面的單體模型和整體模型的最大變形值和構(gòu)件的等效應(yīng)力等均能滿足設(shè)計要求。其中在豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)的單體模型和整體模型變形與構(gòu)件等效應(yīng)力差異比較小，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的單體模型和整體模型存在比較明顯的差異；整體模型計算的變形和構(gòu)件的等效應(yīng)力均明顯大于單體模型的計算結(jié)果。分析其原因主要是結(jié)構(gòu)支座側(cè)向剛度的差異引起的，單體模型時定義的X向和Y向支座剛度均是無限剛的，而整體模型時由于屋面部分支座是擱置在混凝土結(jié)構(gòu)框架柱頂處，而框結(jié)構(gòu)本身在水平荷載作用下是有一定的水平位移，故此計算結(jié)果有一定的差異。

由于單體模型計算的柱頂支座處內(nèi)力大于整體模型，故此可以采用單體模型的計算結(jié)果進(jìn)行支座設(shè)計；構(gòu)件選取時可以用整體模型進(jìn)行優(yōu)選，然后用單體模型進(jìn)行復(fù)核取二者的包絡(luò)值。

4 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)屋面在⑥軸上采用了一排“V”字形鋼結(jié)構(gòu)真假斜柱，其中受力用鋼斜柱的截面為920×30，建筑立面需要的假鋼柱截面為920×16，如圖5所示。

鋼斜柱的下端分別采用鉸接支座和球型鋼支座與基礎(chǔ)相連接，其中與鉸接支座連接的柱為假斜柱僅作立面造型用，與球型鋼支座相連的為受力鋼柱承受屋面的水平和豎向荷載，如圖6所示。斜柱上端與屋面連接的難點是多梁的空間交匯問題，為了能夠提高節(jié)點的整體可靠性，降低多桿交匯焊接時造成的過大殘余應(yīng)力，此處采用鑄鋼節(jié)點,如圖7所示。

5 結(jié)語

1)利用有限元軟件，在給定邊界條件下分析常用結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點，最后根據(jù)工程自身特點選用了比較美觀可靠的結(jié)構(gòu)形式。

2)對于較復(fù)雜的屋面計算時需要采用三維空間模型，并考慮高階振型的影響才能使質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到規(guī)范的要求，這樣計算地震作用才是準(zhǔn)確的。

3)采用計算軟件對結(jié)構(gòu)在多種荷載工況下進(jìn)行靜力分析，可得知結(jié)構(gòu)本身的變形趨勢和受力特點，對于超長結(jié)構(gòu)而言溫度工況參與的組合是起控制作用的。

4)通過把鋼結(jié)構(gòu)屋蓋加入整體模型中復(fù)核支座和構(gòu)件的受力，分析支座剛度不同時對結(jié)構(gòu)的不利影響，并采取了必要的措施以確保鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計安全、可靠。

5)關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計時，要采用適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施確保力能夠有效傳遞，球型鋼支座和鑄鋼節(jié)點是一種非?？煽康淖龇?。

[1] GB 50007—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] 張浩浩，王小盾，陳志華，等.某室內(nèi)游樂中心微曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，45(16)：30-34.

[4] JGJ 7—2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 海諾·恩格爾.結(jié)構(gòu)體系與建筑造型[M].林昌明，羅時瑋，譯.天津：天津大學(xué)出版社，2002.

Yichun transportation hub works roof steel structure design★

Jian Huicheng1Zhou Yiyi2Li Linfeng1

(1.NternationalCenturyDesignofArchitectureCo.,Ltd,Changzhou213000,China； 2.ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002,China)

This paper analyzes the new train station in Yichun City comprehensive transportation hub project roof architectural style, commonly used system for several structures than the election, determined with a high degree of smaller cross beams. Finite element software architecture in all load cases and combinations of static and dynamic analysis to obtain the force and deformation characteristics of the structure, to ensure the steel roof design safe and reliable.

cross-beam structure, static analysis, inclined steel columns, node design

1009-6825(2016)28-0034-03

2016-07-21 ★ :國家自然科學(xué)基金“含有三維受壓構(gòu)件張拉結(jié)構(gòu)的設(shè)計與控制技術(shù)”(項目編號：51308080)；國家自然科學(xué)基金“含有重復(fù)性模塊空間結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化研究”(項目編號：51678082)

建慧城(1978- )，男，碩士，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師； 周一一(1981- )，男，博士，副教授;李林峰(1979- )，男，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU391

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