劉海峰 徐樹(shù)全 毛小東

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150090)

1 工程概況

黑龍江省文化產(chǎn)業(yè)示范區(qū)中國(guó)木雕館、冰雪畫(huà)文化藝術(shù)館建筑物長(zhǎng)度220 m，寬度約24 m，建筑高度為21.22 m,建筑主體平面沿用地成“一”字形展開(kāi)，外形為自由曲面。該建筑為國(guó)內(nèi)少有的不規(guī)則建筑物，建筑的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于當(dāng)?shù)氐亩揪坝^，建筑形體概念源于枯木融冰的意象，建筑形體兩端簡(jiǎn)潔中部突變扭曲，生成具有動(dòng)感的整體形象，外形酷似一件極具創(chuàng)意的雕塑作品。結(jié)構(gòu)效果圖及實(shí)物圖見(jiàn)圖1，圖2。

地面以上結(jié)構(gòu)形式采用平面鋼架，主入口采用空間桁架結(jié)構(gòu)。建筑物共2層，局部3層，其中1層層高6.5 m，2層層高5.5 m，3層夾層隨屋面高低錯(cuò)落變化。中間主入口處門(mén)洞口跨度有42 m寬無(wú)柱，洞口上部設(shè)置人行走道。門(mén)洞位置設(shè)置了上下雙層空間拱桁架，上層拱桁架與屋面鋼架梁相連接，下層桁架與樓面梁拉結(jié)，兼作樓面走道的支架。底部洞口為門(mén)口，上下拱桁架之間的洞口即為窗口。整個(gè)結(jié)構(gòu)沿長(zhǎng)度方向設(shè)置了四道支撐，每道支撐間距將近60 m。

本工程外形創(chuàng)意為一根平放的圓木，外立面多不規(guī)則洞口，高度變化，多折線，外形不規(guī)則且無(wú)規(guī)律。內(nèi)部空間為滿足展示要求，多處開(kāi)大洞。本文將針對(duì)本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程分析進(jìn)行詳盡的介紹。

2 鋼結(jié)構(gòu)方案選型

2.1 結(jié)構(gòu)方案比選

異形復(fù)雜的建筑作品結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)難度較大，既要保證建筑的外立面效果，又要滿足內(nèi)部使用功能的要求，且要保證結(jié)構(gòu)受力合理，安裝方便，通過(guò)一系列的分析比較，并與建筑師反復(fù)核對(duì)，確保結(jié)構(gòu)方案的可實(shí)施性。本結(jié)構(gòu)方案經(jīng)比較初步確定采用網(wǎng)殼方案和平面剛架結(jié)構(gòu)方案，下面對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案的比較結(jié)果闡述如下。

方案1：對(duì)本結(jié)構(gòu)外形控制主要采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用鋼框架。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用多個(gè)小單元沿曲面方向組拼來(lái)擬合復(fù)雜的異形曲面結(jié)構(gòu)。

方案2：采用平面剛架結(jié)構(gòu)，主入口采用桁架結(jié)構(gòu)。平面剛架按軸網(wǎng)布置，剛架外輪廓完全與建筑一致，入口位置剛架與桁架拉結(jié)，形成空間受力體系。

以上兩個(gè)方案均可以實(shí)現(xiàn)建筑要求的立面效果及使用功能要求，但兩個(gè)方案的受力性能仍有一定的差別，為了確定最合理的結(jié)構(gòu)方案，利用Midas.gen軟件進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)的周期結(jié)果，最不利荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)位移，1.0恒荷載和1.0活荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形值和結(jié)構(gòu)的用鋼量大小。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 方案比較結(jié)果

經(jīng)以上比較，方案2具有受力合理和安裝簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，對(duì)地下室混凝土結(jié)構(gòu)的影響較小，雖然其用鋼量略高于方案1，但豎向剛度和動(dòng)力性能均優(yōu)于方案1。故選定方案2為最終確定的實(shí)施方案。

2.2 主結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本工程由30榀形狀完全不一致的剛架組成，其典型剖面見(jiàn)圖3。剛架最大跨度約20 m。入口處由上下分開(kāi)的兩個(gè)空間桁架組成，為了實(shí)現(xiàn)建筑效果，該兩部分結(jié)構(gòu)外形要與建筑控制結(jié)構(gòu)面一致。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化既要保證結(jié)構(gòu)的受力性能，盡可能的降低結(jié)構(gòu)用鋼量，又要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡可能的小，實(shí)現(xiàn)建筑的效果要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化處理。剛架由原來(lái)的全部采用箱型截面調(diào)整為下部受力大的部分采用箱型截面，上部屋面采用H型鋼截面；對(duì)大跨度鋼梁采用加腋做法；柱腳采用鉸接柱腳，以此來(lái)減小對(duì)地室柱的影響，從而減少混凝土用量。

通過(guò)比較支撐對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響(見(jiàn)表2)，有支撐時(shí)結(jié)構(gòu)剛度大于無(wú)支撐體系。且本結(jié)構(gòu)體系為平面剛架結(jié)構(gòu)，故支撐系統(tǒng)是該結(jié)構(gòu)形式的重要組成部分，因此最終采用有支撐結(jié)構(gòu)體系。

表2 周期結(jié)果比較 s

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

該結(jié)構(gòu)計(jì)算采用整體三維模型計(jì)算，該方法可以考慮不同剛架及連接剛架的構(gòu)件相互作用，得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移響應(yīng)也較準(zhǔn)確。

本工程考慮到其復(fù)雜程度，計(jì)算內(nèi)容除常規(guī)的及結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力分析外，還補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析，拱腳節(jié)點(diǎn)有限元分析等內(nèi)容。

為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析軟件采用了3D3S和Midas.gen有限元計(jì)算軟件，兩種計(jì)算軟件通過(guò)相互校核，確保分析結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。并采用Ansys軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型分析。計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

3.1 荷載取值

計(jì)算荷載主要包括恒荷載、活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、溫度作用及水平地震作用。主要荷載取值(見(jiàn)表3)。

抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，阻尼比取為0.04；溫度效應(yīng)按升降20 ℃考慮，其中施工合龍溫度為室內(nèi)正常使用溫度10 ℃～15 ℃。

表3 結(jié)構(gòu)荷載表 kN/m2

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

經(jīng)計(jì)算并優(yōu)化，確定鋼屋蓋結(jié)構(gòu)各部分桿件的截面形式，柱采用箱型截面和H型鋼截面，梁采用H型鋼，桁架采用圓形鋼管截面。整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比云圖，如圖5所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比分布圖，如圖6所示，其中關(guān)鍵桿件應(yīng)力比不大于0.9，其他桿件應(yīng)力比小于1.0。結(jié)構(gòu)最終總用鋼量約105 kg/m2。

結(jié)構(gòu)在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，屋面剛架梁豎向位移最大為49 mm，為結(jié)構(gòu)跨度的1/306；主入口拱最大變形97 mm，為結(jié)構(gòu)跨度42 m的1/402。結(jié)構(gòu)豎向變形滿足規(guī)范要求。

本結(jié)構(gòu)水平荷載控制工況為風(fēng)荷載，地震對(duì)結(jié)構(gòu)不起控制作用。經(jīng)計(jì)算，水平風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)水平位移為22 mm，位置發(fā)生在結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)21 m處，水平變形是結(jié)構(gòu)高度的1/954，結(jié)構(gòu)側(cè)移滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

提取結(jié)構(gòu)的前3階自振周期，詳見(jiàn)表4，1階～3階的振型圖見(jiàn)圖7。從表4中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)的前3階振型整體振動(dòng)，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較好。

表4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

基于Ansys對(duì)拱進(jìn)行非線性穩(wěn)定計(jì)算，同時(shí)考慮了材料非線性及幾何非線性。根據(jù)Q345鋼材相關(guān)特性定義塑性材料，初始缺陷最大值取為跨度42 m的1/300，按照線性屈曲第一屈曲向量分布添加初始缺陷,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后整體位移形態(tài)及極限狀態(tài)下位移最大點(diǎn)的荷載—位移全過(guò)程曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，在考慮鋼材的彈塑性后，鋼結(jié)構(gòu)部分極限承載力為恒載+活載的12倍，滿足規(guī)范要求。

本工程由于入口處拱腳推力較大，拱腳最大推力將近2 000 kN，該節(jié)點(diǎn)采用半球節(jié)點(diǎn)，埋件設(shè)置抗剪鍵?，F(xiàn)取拱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體建模有限元分析，見(jiàn)圖9。

分析結(jié)果表明拱腳采用半球加肋節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)有限元分析顯示最大應(yīng)力302 kN/m2，在兩根主管相交位置應(yīng)力集中，通過(guò)對(duì)該位置的補(bǔ)強(qiáng)措施，能保證節(jié)點(diǎn)有足夠的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)語(yǔ)

黑龍江省文化產(chǎn)業(yè)示范區(qū)中國(guó)木雕館、冰雪畫(huà)文化藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)初步選型設(shè)計(jì)，明確該結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案為柱腳鉸接的平面剛架與空間桁架結(jié)構(gòu)的組合體系，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，受力性能較好。通過(guò)詳盡的計(jì)算分析，確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足規(guī)范要求，確保了結(jié)構(gòu)的使用安全。