張志新

(福建利安建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

本工程位于武夷山風(fēng)景名勝區(qū)南入口，地上二層、地下一層，最高點(diǎn)24m，總建筑面積約36000m2，本建筑依山就勢(shì)，與周圍群山緊密相連，相得益彰。建成之后將成為武夷山市新地標(biāo)，建筑方案詳(圖1)。

圖1 建筑方案

2 結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)體系

A區(qū)為細(xì)長(zhǎng)的矩形平面，長(zhǎng)細(xì)比為4.22，屋面標(biāo)高變化大，從左到右共有四個(gè)坡屋頂見(圖2)，其中最高點(diǎn)為24m(大跨部分屋脊)，最低點(diǎn)為4.8m(最左邊斜坡)。且中部有35m跨度的開敞的檢票大廳，這樣導(dǎo)致大跨左右兩部分剛度不協(xié)調(diào)、樓板不連續(xù)的問(wèn)題。結(jié)合建筑平面的分隔和結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的需求，在不影響建筑功能的位置設(shè)置多道柱間支撐，形成鋼框架－支撐的結(jié)構(gòu)體系，平衡大跨左右兩邊的剛度。同時(shí)利用在檢票大廳的南側(cè)二層設(shè)置連廊和北側(cè)的雨棚，以增加結(jié)構(gòu)的整體性。

圖2 A區(qū)剖面圖

如(圖3)，檢票大廳上空為空間圓管桁架結(jié)構(gòu)，由主桁架和次桁架搭接而成，構(gòu)成與建筑外墻角度一致的內(nèi)斜的兩片三角形主受力墻，平面次桁架內(nèi)增加交叉支撐，以增強(qiáng)屋蓋體系的整體剛度。檢票大廳內(nèi)連廊一端與桁架交接，一端利用拉桿連接于桁架上。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難度

(1)結(jié)構(gòu)不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大。A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)平面，左部分和右部分為鋼支撐體系，中間部分為大跨度體系，且缺少樓板支撐，導(dǎo)致側(cè)向剛度分布不均。中間部分豎向及側(cè)向位移都比左右部分大，整體模型的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也比較明顯，合理選擇大跨度部分桿件的截面類型以及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的分析成為本工程的關(guān)鍵。

圖3 大跨桁架軸測(cè)圖

(2)屋蓋體系自重重，幕墻鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜。屋面及兩側(cè)邊采用GRC板，且造型比較復(fù)雜，特別是大跨度部分，布置了多層龍骨，外表皮至內(nèi)表皮厚度最大處達(dá)到了5m，增加了大跨度部分的豎向位移。

(3)節(jié)點(diǎn)類型多，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜。由于整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，武夷山游客中心A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)類型多達(dá)十幾種，其中的主要節(jié)點(diǎn)類型包括:管桁架部分與鋼框架部分的連接節(jié)點(diǎn)、主桁架交匯節(jié)點(diǎn)、主桁架柱腳節(jié)點(diǎn)、連廊拉桿節(jié)點(diǎn)、主桁架焊接球柱腳節(jié)點(diǎn)。對(duì)于一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，由于匯交桿件較多，構(gòu)件之間的空間關(guān)系復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)受力較大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)難度很大。

3 結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

3.1 分析模型

圖4 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

工程分析模型如(圖4)所示。框架部分均采用剛接節(jié)點(diǎn)，主桁架落地節(jié)點(diǎn)采用鉸接節(jié)點(diǎn)(銷軸連接)。

3.2 荷載作用與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.2.1 荷載作用

荷載作用主要包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用和溫度作用。其中自重由程序自動(dòng)計(jì)算，GRC樓蓋的恒載取值為2.0kN/cosα，α為屋蓋平面與水平面的夾角。

溫度荷載考慮整體升溫25℃以及整體降溫－20℃ 。

3.2.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)性，確定構(gòu)件應(yīng)力比的控制原則為:框架部分主要構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.85，大跨度桁架部分主要桿件的應(yīng)力比不大于0.7.其余次要構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.9。

3.3 結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能

計(jì)算最大位移值及應(yīng)力比詳見(圖5、圖6)。

圖5 大跨部分最大組合荷載下位移圖(mm)

圖6 大跨部分設(shè)計(jì)應(yīng)力比

主要工況位移值，見(表1)。

表1 各工況位移值

計(jì)算結(jié)果可知:(1)位移最大處發(fā)生在大跨度結(jié)構(gòu)部分，各個(gè)荷載組合下，最大合位移為52mm，撓跨比52/3500=1/674＜1/400，滿足規(guī)范要求見(圖5);(2)風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移都比較小，說(shuō)明風(fēng)載對(duì)結(jié)構(gòu)作用不敏感;(3)相比于大跨度部分，框架部分位移都比較小，說(shuō)明大跨度部分為部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度最薄弱處，應(yīng)該適當(dāng)采取措施加強(qiáng);(4)由于本結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比較大，溫度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響也比較大。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力比結(jié)果見圖6，框架部分的應(yīng)力比都小于0.85;對(duì)于管桁架部分，考慮到存在的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及施工誤差，控制主鋼管的應(yīng)力比不超過(guò)0.7。

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用SAP2000建立結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析模型，通過(guò)線性屈曲分析，可以獲得結(jié)構(gòu)的屈曲荷載及相應(yīng)的失穩(wěn)模式，從而了解結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。另外，根據(jù)屈曲模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)施加一致初始缺陷，是結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。圖給出了結(jié)構(gòu)在“1.0DL+0.5LL”組合工況下的前三階屈曲模態(tài)，對(duì)應(yīng)的屈曲系數(shù)見(表2)。

表2 屈曲系數(shù)

可以看出，結(jié)構(gòu)的前三階屈曲均發(fā)生在大跨度桁架結(jié)構(gòu)。由結(jié)構(gòu)的靜力分析可知，大跨度部分是整個(gè)結(jié)構(gòu)變形最大的地方，并且缺少樓板的側(cè)向約束作用，從而導(dǎo)致此處成為最容易屈曲的位置。

圖7 第一階屈曲模態(tài)

圖8 第二階屈曲模態(tài)

圖9 第三階屈曲模態(tài)

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程節(jié)點(diǎn)類型很多，本文將對(duì)其中一個(gè)較為復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析探討。主桁架右側(cè)鋼管由于建筑使用功能的限制，只能落到二層的圓柱上，三根主管(Φ351×12)交匯于焊接球(Φ600×20)上，用十字連接板連接于圓柱上。采用hypermesh進(jìn)行有限元建模，并用殼單元來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如(圖10)。采用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行有限元計(jì)算，選取最不利工況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖11。對(duì)于模型來(lái)說(shuō)，鋼管與鋼球連接處，鋼球與十字板連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大的 Mises應(yīng)力為168MPa，小于 Q345B鋼材的屈服強(qiáng)度295MPa(按鋼材厚度20mm所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度)，滿足規(guī)范要求。

圖11 節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力云圖

圖10 節(jié)點(diǎn)有限元模型

6 結(jié)語(yǔ)

武夷山游客中心A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，跨度大，剛度分布不均勻，節(jié)點(diǎn)種類較多。為此，在設(shè)計(jì)之前，合理的選擇了結(jié)構(gòu)受力體系以及布置抗側(cè)力構(gòu)件。針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)中分別對(duì)其進(jìn)行了主體鋼結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力分析、溫度作用分析、整體穩(wěn)定性分析。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，務(wù)求桿件傳力清晰直接，精簡(jiǎn)交匯的桿件數(shù)量，并對(duì)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有元分析。

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

[2]JGJ7－2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]陳彬磊，郭宇飛，柯長(zhǎng)華，等.深圳灣體育中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)及研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(9):1－10.

[4]石亦平周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.