圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

索楠 畢瑩

【摘要】本文以某工程項目為主要案例，系統(tǒng)總結(jié)并探討了圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，結(jié)合建筑物的造型與受力特點，構(gòu)建空間鋼結(jié)構(gòu)體系，并通過空間整體計算模型的創(chuàng)建，借助SAP2000計算并分析不同工況下靜力與動力性能，以期為類似工程項目設(shè)計提供必要參考。

【關(guān)鍵詞】圓形斜柱大跨度;中庭空間;鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計

1.工程項目概況研究

此建設(shè)項目為大型城市建筑綜合體，地下3層，地下6層，建筑總面積為200000m2，屬于城市核心區(qū)域的重要建筑物。在此核心區(qū)域設(shè)置了通高中庭，于5層屋面位置設(shè)計了屋頂結(jié)構(gòu)。其中，屋蓋的造型為傾斜圓面，且最高部位的標(biāo)高是40m，而最低部位的標(biāo)高是36m，圓面的直徑是31m，其水平投影是微橢圓，長軸是31.4m，短軸是31.2m[1]。

對于中庭空間結(jié)構(gòu)，在設(shè)計方面，技術(shù)難點集中體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）位置相對較高，柱腳是30m;

（2）圓面呈傾斜狀，空間尺寸與定位難度較大且受力相對復(fù)雜;

（3）柱子向外側(cè)傾斜，受力效果不理想;

（4）屋面吊點的荷載較大，要考慮最不利的組合效應(yīng);

（5）五層屋面鋼梁需支撐整個空間結(jié)構(gòu)，因而要對兩部分結(jié)構(gòu)影響程度以及協(xié)同性作出深入分析。

2.圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結(jié)構(gòu)選型研究

將建筑師意圖切實體現(xiàn)出來的同時，為確保結(jié)構(gòu)受力路徑更加合理且明確，在此工程項目建設(shè)中，通過對主桁架、次桁架、斜柱與環(huán)桁架的運用，構(gòu)建了空間鋼結(jié)構(gòu)體系。對于鋼管桁架結(jié)構(gòu)桿件則選擇的是無縫鋼管，通過相貫焊的方式成功連接。

2.1主桁架

對魚腹式立體桁架加以運用，將跨度確定成31.2m。而大跨度中的桁架高度是2.4m，支座部位采用逐漸收緊的形式，而桁架的兩端則和桁架柱進行鉸接處理。對于主桁架的上弦弦桿與下弦弦桿，其尺寸大小為φ299×12，而腹桿桿件的尺寸大小為φ114×6。

2.2次桁架

在主立體桁架中，次桁架的數(shù)量為五道，而跨度最大是14.7m，跨度最小是11.1m。對于此工程中的次桁架，使用的是1m高度的平面桁架，借助相貫節(jié)點形式和主桁架成功連接[2]。作為次桁架，不僅要對豎向荷載承載，同樣要為主拱桁架提供所需的側(cè)向支撐力，使得屋蓋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強。其中，次桁架的上弦弦桿和下弦弦桿尺寸大小為φ168×8，而腹桿桿件的尺寸為φ89×7。另外，在次桁架的下弦節(jié)點位置，對吊點進行合理布置，數(shù)量為14個，而每個吊點重量為20kN。

2.3斜桁架柱

在圓形斜柱大跨度中庭結(jié)構(gòu)中，需使用六根鋼管立體桁架柱且向外部傾斜，以發(fā)揮支撐作用。其中的兩根對主桁架進行支撐，截面呈矩形，且截面面積由下至上減小，剩余四根則對次桁架進行支撐，而截面呈三角形，截面面積由下到上減小。在中庭空間鋼結(jié)構(gòu)中，屋蓋面和水平面的傾角是6°，投影呈橢圓形，不同桁架柱高度與傾斜角存在明顯差異。在桁架柱的外側(cè)，弦桿的尺寸大小為φ203×8，而桁架柱內(nèi)側(cè)弦桿的尺寸大小為φ203×12，腹桿的桿件尺寸是φ108×8。

2.4環(huán)形桁架

中庭空間屋蓋的跨度相對較大，且柱腳的側(cè)向推力也不小，支撐柱向外側(cè)傾斜，所以很難對水平推力加以抵抗。與此同時，柱頂水平位移會明顯增加。如果向下部結(jié)構(gòu)傳遞所有水平推力，那么很容易影響下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并且出現(xiàn)形變情況[3]。一旦下部結(jié)構(gòu)變形，必然會對上部屋蓋受力的情況帶來一定程度的影響。在這種情況下，即可將環(huán)形立體鋼管桁架合理設(shè)置于柱頂位置，并且沿著屋蓋圓面加以布置，進而對水平推力進行必要抵抗。對于環(huán)形桁架的截面，其屬于變截面矩形，會根據(jù)桁架柱格構(gòu)的改變而變化。其中，環(huán)桁架的上弦弦桿與下弦弦桿尺寸大小為φ89×7，腹桿的桿件尺寸是φ60×5。

3.圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結(jié)構(gòu)計算分析

3.1荷載取值與組合

開展結(jié)構(gòu)計算期間，需要對結(jié)構(gòu)自重、升溫、降溫、屋面雪載、屋面恒載、風(fēng)載以及地震作用進行綜合分析。因雪荷載的取值比無人屋面活載取值要小，因而無須對此因素進行考慮，僅對屋面活載考慮即可。其中，恒載的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值是桿件自重與屋面板的自重、配重總和，即1.5kN/m2;吊點荷載的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值應(yīng)按照每個吊點20kN的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計14個吊點的荷載;屋面活載的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值是0.5kN/m2;溫度作用時-25～+25℃;基本風(fēng)壓是0.5kN/m。在此工程中，將抗震設(shè)防烈度確定成6度，而抗震設(shè)防的類別則是丙類建筑。對基本地基加速度設(shè)計的時候，將數(shù)值確定成0.05g，而地震分組被設(shè)計成第一組。

3.2結(jié)構(gòu)計算

對中庭空間鋼結(jié)構(gòu)的計算分析，需以空間整體計算模型為基礎(chǔ)構(gòu)建，而內(nèi)力分析則要將桿系有限元作為主要參考依據(jù)。主桁架的弦桿應(yīng)采用剛性連接的方式，通過鉸接形式實現(xiàn)腹桿與其他支撐桿的連接。隨后，引進SAP2000有限元程序開展相關(guān)分析工作?；陔娝?，還要手算復(fù)核關(guān)鍵的構(gòu)件與節(jié)點。

通過對不同荷載工況條件下主要桿件的最大內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值計算后發(fā)現(xiàn)，主桁架兩端的支座因未對轉(zhuǎn)角加以約束，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體分布特點為兩端小中間大，而桁架魚腹式的造型則與此受力特征吻合。由于次桁架的上弦桿、下弦桿和主桁架相連，因而跨中和支座的內(nèi)力類似。對于環(huán)形桁架，其主要的功能就是突出環(huán)箍效應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)均勻受力。對于桁架柱而言，需要對結(jié)構(gòu)內(nèi)全部豎向荷載承擔(dān)，所以其弦桿始終受壓，受風(fēng)荷載與水平地震影響，桁架柱的外側(cè)弦桿實際受壓程度會下降，但并不會收拉。

在此基礎(chǔ)上，工程項目中，動荷載內(nèi)力平均值在靜荷載內(nèi)力平均值中的占比可通過以下幾個方面表現(xiàn)出來：

（1）風(fēng)荷載。主桁架、次桁架、環(huán)桁架與桁架柱的占比分別為19%、10%、7%和37%;

（2）地震作用。主桁架、次桁架、環(huán)桁架與桁架柱的占比分別為4%、3.5%、6%、9%。

由此證實，工程項目中的動荷載作用形成的內(nèi)力要比靜荷載作用形成內(nèi)力小，尤其是地震作用最小，未超過靜荷載效應(yīng)10%。在這種情況下，此結(jié)構(gòu)則通過豎向靜荷載進行控制。而且，溫度改變而引起的桿件內(nèi)力不大，因而處理節(jié)點的過程中要強調(diào)桿件冷熱變換的具體影響。通過對構(gòu)件應(yīng)力云圖的檢查發(fā)現(xiàn)，桿件應(yīng)力比低于0.7，而且應(yīng)力均勻度明顯，結(jié)構(gòu)不存在薄弱的部位。

3.3位移與撓度

綜合分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工要求，應(yīng)保證容許撓度低于。根據(jù)不同荷載工況條件控制點的最大位移計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主桁架與次桁架的豎向變形撓度都比限值低，而且桁架柱柱頂實際水平位移不超過最小范圍規(guī)定。

3.4對比MST計算結(jié)果

此工程選擇SAP2000進行計算后，引入MST2006負(fù)責(zé)驗算，并比較結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力與位移數(shù)據(jù)進行比較分析。經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，兩種計算軟件的結(jié)果基本相同。

4.圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結(jié)構(gòu)的動力分析

此結(jié)構(gòu)動力特性為地震分析提供了必要保障，同樣可對結(jié)構(gòu)體系的合理性加以檢驗。借助SAP2000對結(jié)構(gòu)模型加以創(chuàng)建，并對前30階周期與模態(tài)作出系統(tǒng)分析。

第一模態(tài)：周期為0.59;第二模態(tài)：周期為0.50;第三模態(tài)：周期為0.45;第四模態(tài)：周期為0.42;第五模態(tài)：周期為0.37;第六模態(tài)：周期為0.28;第七模態(tài)：周期為0.27;第八模態(tài)：周期為0.26;第九模態(tài)：周期為0.25;第十模態(tài)：周期為0.24。

根據(jù)振形動畫分析可知，次桁架發(fā)生局部振動，受模型沒有重點分析屋面檁條相對于次桁架側(cè)向支撐作用的影響，使得工程實踐過程中規(guī)避了此類型模態(tài)處于靠前模態(tài)的情況發(fā)生。

在有限元結(jié)構(gòu)模型的作用下，可分析整體屈曲情況。由于不同的工況條件，前幾個階屈曲模態(tài)的系數(shù)都是負(fù)數(shù)，從物理意義層面分析，即受反向荷載影響，主桁架與次桁架的下弦呈現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)的情況。但工程實踐中并不存在反向荷載，所以無須對屈曲系數(shù)是負(fù)的模態(tài)加以考慮。

受豎向荷載的作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度理想，且屈曲系數(shù)超過15，而主桁架的上弦局部有側(cè)向失穩(wěn)的情況，在屋面系統(tǒng)中需要對主桁架上弦側(cè)向穩(wěn)定性加以改進。當(dāng)風(fēng)荷載參與到組合中，桁架柱腳周邊的腹桿會發(fā)生平面外失穩(wěn)的情況，而且屈曲系數(shù)不高，對具體情況加以分析，屈曲系數(shù)實際會超過6.7。一般此類工程項目的一類穩(wěn)定安全系數(shù)需要超過4，所以此項目穩(wěn)定安全系數(shù)與基本要求吻合。

5.結(jié)束語

綜上所述，在此工程項目中，景觀造型有效地呈現(xiàn)出來，與建筑空間和功能等方面的需求吻合。但需要注意的是，結(jié)合建筑造型需求，對結(jié)構(gòu)體系的合理化選用十分關(guān)鍵。中庭空間結(jié)構(gòu)的主桁架使用了魚腹式立體桁架，結(jié)構(gòu)合理且受力性能理想，使得建筑造型更理想。而次桁架則選擇平面桁架，桿件數(shù)量隨之降低。環(huán)桁架結(jié)構(gòu)整體的剛度顯著增加，使得柱頂位移得以約束，效果突出。

參考文獻

[1]邢喜旺，張文軍，趙明亮， 等.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)探究[J].中國高新科技，2018（8）：47-50.

[2]于蘭蘭.超高層建筑大跨度中庭火災(zāi)撲救對策研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2016（8）：2002-2002.

[3]熊志偉，遲春.大跨度鋼筋混凝土空間曲面板殼結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計[J].四川建筑，2015（2）：144-146.

（作者單位：青島環(huán)境工程設(shè)計院有限公司）

【中圖分類號】TU391

【文獻標(biāo)識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）10-0042-02