針對(duì)局部鋼結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響的探討

李淼

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);混合結(jié)構(gòu);空間建模;整體分析

前言：隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑行業(yè)技術(shù)水平的提高以及業(yè)主對(duì)建筑形式多樣化和功能多元化需求的增長，越來越多的建筑型式映入眼簾，從單一的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)以及框架，剪力墻結(jié)構(gòu)體系到混合結(jié)構(gòu)，框剪，框筒體系;為此就需要提高技術(shù)分析手段從而確保建筑功能的實(shí)現(xiàn)及安全性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性。本文以某地一造型特殊小型公共建筑為例進(jìn)行簡單的分析及探討。

1.設(shè)計(jì)背景

該建筑為宗教佛塔，具備一般使用功能兼具觀賞性，由于具備宗教背景，建筑造型不同于一般建筑，傳統(tǒng)的建筑形式多為木石結(jié)構(gòu)，且具有文物性質(zhì)，在相關(guān)政策影響下，一般保留較完整，該新建佛塔擬采用現(xiàn)代技術(shù)方法建造，底座采用常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于造型特殊，上部佛塔采用鋼結(jié)構(gòu)，在以往設(shè)計(jì)的過程中，礙于行業(yè)技術(shù)發(fā)展的滯后性及時(shí)間，人力成本的局限性，多采用分離設(shè)計(jì)方法，對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，再通過將內(nèi)力作用于下部支座，對(duì)基座進(jìn)行考慮上部作用力的設(shè)計(jì)分析，在沒有計(jì)算機(jī)普及及行業(yè)分析軟件的支持下，這項(xiàng)工作無疑是復(fù)雜且龐大的，并且為了保證建筑功能的實(shí)現(xiàn)及安全性，計(jì)算精度有限，并留有較大的安全儲(chǔ)備，代價(jià)就是犧牲經(jīng)濟(jì)性。而在目前行業(yè)科技水平的加持下，通過采用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件一定程度上精簡設(shè)計(jì)流程并大大降低人為工作量，不僅提高設(shè)計(jì)效率并且能夠達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)型，即便如此，不同的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果也是有所不同。

2.設(shè)計(jì)思路及分析

本建筑地處抗震設(shè)防烈度8度區(qū)，地震加速度0.2g，第三組，特征周期為0.45s，建筑場地為Ⅱ類場地，地面粗糙類別B類，基本風(fēng)壓0.4KN/平米，雖然為公共建筑，規(guī)模較小，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻，根據(jù)地勘報(bào)告，雖然地處高烈度區(qū)，地質(zhì)條件良好，無特殊地質(zhì)環(huán)境，屬于抗震一般地段，本文對(duì)基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計(jì)不做說明，僅對(duì)地上部分做簡要分析。

從建筑平立剖面看，建筑基座地上三層，地下一層，地上建筑高度19.300米，地上具備一定空間使用功能，兩級(jí)屋面分別有16座小型佛塔（高度24米），8座中型佛塔（高度38米）及中央一座大型佛塔（高度61米）構(gòu)成，佛塔基座按常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)建模分析計(jì)算，上部佛塔采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)榉鹚w型及高度均較大，且沒有明顯的分層概念，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行受力分析沒有問題，但其因承受水平地震荷載及風(fēng)荷載的作用以及自身的質(zhì)量對(duì)下部整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算是不可忽略的，且由于風(fēng)振引起對(duì)主體的作用也有必要進(jìn)行細(xì)致分析，否則可能會(huì)引起其他相關(guān)問題（鑒于篇幅有限，本文不做深入探討），所以針對(duì)這類不規(guī)則情況，需要引入空間模型對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行內(nèi)力分析作為主要設(shè)計(jì)手段，單獨(dú)內(nèi)力分析作為補(bǔ)充分析手段。

空間建模分析的優(yōu)勢就是能夠針對(duì)沒有具體層概念的結(jié)構(gòu)按照實(shí)際的空間位置及真實(shí)的受力形態(tài)進(jìn)行整個(gè)結(jié)構(gòu)完整的受力分析，并得到比較準(zhǔn)確的整體計(jì)算參數(shù)和指標(biāo)，幫助設(shè)計(jì)人員更好的分析和應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響。對(duì)該建筑做兩組建模進(jìn)行對(duì)比：第一組按空間建模方式完整建立混凝土基座及上部鋼結(jié)構(gòu)模型，按混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，連接處采用設(shè)計(jì)約束方式保證混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同受力變形;第二組僅進(jìn)行下部混凝土結(jié)構(gòu)模型的建立和分析，上部鋼結(jié)構(gòu)按質(zhì)量施加給模型相應(yīng)位置，并根據(jù)第一組模型計(jì)算分析得到的鋼結(jié)構(gòu)部分底部的內(nèi)力按反力形式施加給混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)兩組模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）周期

周期作為結(jié)構(gòu)的固有屬性，反應(yīng)了結(jié)構(gòu)自身包括質(zhì)量及剛度特性，在同一地質(zhì)條件下直接決定所承受的地震力的大小，通過計(jì)算結(jié)果可以明顯看到在不考慮鋼結(jié)構(gòu)塔樓的條件下結(jié)構(gòu)的前十個(gè)陣型主要以平動(dòng)陣型為主，前三個(gè)陣型均為平動(dòng)陣型，第四陣型為扭轉(zhuǎn)陣型，結(jié)構(gòu)為正多邊形均勻分布，柱網(wǎng)布置規(guī)則，抗扭剛度良好，第一周期僅為0.53s，略大于特征周期，位于地震加速度曲線速度控制段;考慮上部鋼結(jié)構(gòu)塔樓進(jìn)行空間整體計(jì)算的結(jié)果中，前十陣型均為平動(dòng)陣型，在陣型動(dòng)畫中觀察主要為鋼結(jié)構(gòu)塔樓在水平力作用下沿X和Y方向的振動(dòng)，佛塔自身在高度方向的尺寸遠(yuǎn)大于平面內(nèi)的截面尺寸，成為以下部混凝土結(jié)構(gòu)作為嵌固端的懸臂構(gòu)件，并且本身為鋼結(jié)構(gòu)，剛度遠(yuǎn)小于同等尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，反映到周期中，在考慮空間結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算下第一陣型周期為1.1S，使整個(gè)結(jié)構(gòu)空間計(jì)算的結(jié)果都偏“柔”，直觀上符合實(shí)際結(jié)構(gòu)在水平作用力下的振動(dòng)形態(tài)。

（2）地震力：周期不同最直接的影響就是結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的地震剪力有所區(qū)別，在建筑重力荷載代表值一定的條件下，周期決定了計(jì)算結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)，進(jìn)而決定地震剪力的大小;未考慮鋼結(jié)構(gòu)剛度條件下結(jié)構(gòu)的地震力為X：4910KN，Y：5346KN，地震剪力為X：14695KN，Y：15166KN;考慮鋼結(jié)構(gòu)剛度的空間結(jié)構(gòu)的地震力為X：4513KN，Y：4649KN，地震剪力為X：13443KN，Y：13864KN，地震力X方向相差9%，Y方向相差15%，地震剪力相差10%左右。隨著體系變“柔”，地震外力也相應(yīng)減少。

（3）風(fēng)外力

鋼結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載格外敏感，因此鋼結(jié)構(gòu)塔樓的風(fēng)荷載分析不可避免，由于風(fēng)荷載方向的不確定性及隨機(jī)性，在空間模型中能夠?qū)Ω鞣较蝻L(fēng)荷載進(jìn)行考慮和加載，很大程度上節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率;因?yàn)榭臻g結(jié)構(gòu)沒有層概念，很難利用常規(guī)模型在樓層質(zhì)點(diǎn)施加風(fēng)荷載的方法對(duì)塔樓進(jìn)行受力分析，需要采用蒙皮導(dǎo)荷的方法來對(duì)其進(jìn)行風(fēng)荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力及相關(guān)驗(yàn)算，并且因?yàn)椴煌较騺盹L(fēng)作用于塔樓在底部支座產(chǎn)生的內(nèi)力不同，利用空間整體計(jì)算可以簡單方便的進(jìn)行下部混凝土結(jié)構(gòu)的包絡(luò)設(shè)計(jì)，因此針對(duì)風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的分析應(yīng)以空間整體計(jì)算為主，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)個(gè)體的分析驗(yàn)算為輔。

3.結(jié)論

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響在設(shè)計(jì)上是不能忽略也不應(yīng)該忽略的，在現(xiàn)行技術(shù)條件下是比較簡單易行的：通過簡單的數(shù)據(jù)對(duì)比，考慮局部鋼結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)整體計(jì)算相對(duì)于傳統(tǒng)分離式的結(jié)構(gòu)分析具有比較明顯的優(yōu)勢，在目前行業(yè)高水平發(fā)展和充分利用合理的技術(shù)手段及正確的設(shè)計(jì)理念條件下，基本能夠做到比較符合真實(shí)情況的結(jié)構(gòu)分析，通過合理的概念設(shè)計(jì)，利用整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，輔以獨(dú)立的驗(yàn)算，并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)能夠很好的在保證結(jié)構(gòu)安全合理的前提下充分提高設(shè)計(jì)效率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的。