丁祝紅

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司， 上海 200092)

1 工程概況

西交利物浦大學(xué)太倉校區(qū)位于江蘇省太倉市，教學(xué)區(qū)圓環(huán)建筑被地塊內(nèi)部的Y形河流分為三塊，Y形河流上方形成三處跨越河道的大跨結(jié)構(gòu)，如圖1所示。大跨結(jié)構(gòu)地上共3層，1層架空，2,3層均為教學(xué)區(qū)域，屋頂為環(huán)形活動區(qū)域，結(jié)構(gòu)高度為14.96m。建筑方案中圓環(huán)頂部設(shè)置有一建筑頂點高度約為30.660m的圓環(huán)構(gòu)架。

圖1 教學(xué)區(qū)圓環(huán)效果圖

為避免大跨結(jié)構(gòu)布置對相鄰標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)區(qū)域造成影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計時在大跨結(jié)構(gòu)兩個端部設(shè)置兩道抗震縫，將大跨結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)樓的地上結(jié)構(gòu)分為獨立的結(jié)構(gòu)單體。分縫后三處大跨結(jié)構(gòu)尺寸均約為25m×92m，由于建筑功能需要，三處大跨結(jié)構(gòu)的1層僅在兩個端部及河道兩側(cè)布置有4排共12根落地結(jié)構(gòu)柱，河道兩側(cè)最大柱距達38.8m。圖2為西側(cè)跨河道建筑1層平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 跨河道建筑1層平面結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)體系選型

2.1 大跨度多高層結(jié)構(gòu)選型概述

目前在國內(nèi)外已建的大跨多高層結(jié)構(gòu)中，采用的常規(guī)結(jié)構(gòu)方案主要包括底層大梁轉(zhuǎn)換方案、底層桁架轉(zhuǎn)換方案、頂層大梁吊掛方案、頂層桁架吊掛方案，這些常規(guī)結(jié)構(gòu)方案對于跨度不大、層數(shù)不高、大梁或高桁架不影響建筑效果的建筑方案較適用。

部分大跨度多層結(jié)構(gòu)借鑒橋梁中懸索橋的設(shè)計原理，采用頂部懸索吊掛方案。如美國明尼阿波利斯聯(lián)邦儲備銀行大樓(圖3)結(jié)構(gòu)跨度達83.2m，結(jié)構(gòu)方案利用建筑端部兩個巨大筒體作為懸索頂部的錨固點，同時在頂部設(shè)置巨型桁架，懸索下方結(jié)構(gòu)采用吊掛方案，懸索上方結(jié)構(gòu)由懸索與頂部桁架之間的立柱支承。

圖3 明尼阿波利斯聯(lián)邦儲備銀行大樓

國內(nèi)也有大跨度多層結(jié)構(gòu)借鑒橋梁中斜拉橋設(shè)計原理的案例，在建筑內(nèi)部設(shè)置高強度預(yù)應(yīng)力斜拉索，利用拉索拉住底部結(jié)構(gòu)，進而托住上部結(jié)構(gòu)。如深圳萬科中心項目主體結(jié)構(gòu)是從內(nèi)部筒體及實腹厚墻的上端對稱引出鋼拉索拉起2層梁板形成跨度25～56m的結(jié)構(gòu)體系，在2層以下形成連續(xù)的大空間，2層及以上結(jié)構(gòu)由索梁節(jié)點處設(shè)置的型鋼混凝土柱撐起[1]，結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。

圖4 深圳萬科中心結(jié)構(gòu)方案

2.2 本項目結(jié)構(gòu)選型

借鑒上述已建成大跨結(jié)構(gòu)和橋梁的設(shè)計與施工經(jīng)驗，本項目最終采用“頂部斜拉式大跨多層鋼框架結(jié)構(gòu)體系”。這是一種較新穎的建筑結(jié)構(gòu)形式，借鑒了斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的概念，利用本項目建筑造型中4根屋頂構(gòu)架立柱作為塔柱，由塔柱向下布置高強度熱鍍鋅鋼絲束，拉索下節(jié)點布置在對應(yīng)下部樓層的鋼立柱處，以吊掛下部3層結(jié)構(gòu)。采用此體系結(jié)構(gòu)傳力途徑明晰、受力高效合理，滿足建筑美觀要求、并契合該項目設(shè)置屋頂構(gòu)架的造型特點。建筑效果圖如圖5所示。

圖5 跨河道大跨建筑效果圖

本項目與常規(guī)斜拉橋及前述已建成斜拉結(jié)構(gòu)有所不同，其獨有的制約和挑戰(zhàn)主要有：

(1)常規(guī)斜拉橋一般為單層橋面，公鐵兩用橋采用雙層橋面時也會在層間布置斜腹桿以形成桁架橋體，與上部斜拉索共同受力構(gòu)成橋體整體[2]。本項目由于建筑效果要求，下部3層結(jié)構(gòu)立面不能布置斜桿，只能考慮框架梁柱形成的空腹桁架作用，與上部斜拉索共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)整體。

(2)已建成斜拉結(jié)構(gòu)(如深圳萬科中心)拉索布置于建筑內(nèi)部，拉索下端錨固在2層樓面，上部結(jié)構(gòu)均支撐于2層主受力結(jié)構(gòu)上，上部結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)受力相似均以受壓彎為主，同時由于2層構(gòu)件受力較大，構(gòu)件尺寸較大。本項目拉索布置于房屋頂部，下部結(jié)構(gòu)均吊掛于上部樓層，結(jié)構(gòu)受力以拉彎為主，在采取特定的構(gòu)造措施后，各層最大梁高均控制在1m以內(nèi)，很好地解決了本項目因?qū)痈卟桓?1層層高5.76m，2，3層層高4.6m)帶來的凈高要求苛刻的問題。

(3)本項目只能利用屋頂構(gòu)架較小尺寸的立柱作為塔柱，不能布置巨大的橋塔或筒體作為拉索上端錨固節(jié)點；另外，本項目建筑平面為弧形，拉索對主體結(jié)構(gòu)的受力影響及整體弧形結(jié)構(gòu)受力特點均與常規(guī)直線形斜拉橋或斜拉建筑結(jié)構(gòu)有較大不同，需要進行專門的針對性分析與設(shè)計。

本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計時，借鑒了斜拉橋及相關(guān)大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工經(jīng)驗，并對本項目獨有的特點進行相應(yīng)分析，確保整體結(jié)構(gòu)安全、合理、高效。

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

3.1 分析模型

結(jié)構(gòu)分析中采用SAP2000進行整體計算，結(jié)構(gòu)梁柱及拉索桿件均采用框架單元進行模擬，對于兩端鉸接桿件采用釋放桿端彎矩的框架單元，結(jié)構(gòu)樓板采用膜單元模擬，樓面荷載導(dǎo)荷至框架的均布面荷載施加在結(jié)構(gòu)上，斜拉索預(yù)拉力荷載通過降溫法施加。

3.2 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、溫度荷載、斜拉索預(yù)拉力，以上荷載均根據(jù)相關(guān)規(guī)范及實際進行取值。其中：1)對于溫度荷載，主體鋼結(jié)構(gòu)溫度作用采用的計算溫差為-30～+30℃，拉索計算溫差取-40～+40℃[3]；2)對于斜拉索預(yù)拉力，結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)特定的原則取值(詳見后續(xù)分析)，確保結(jié)構(gòu)施工過程及最終形成狀態(tài)受力均在合理范圍內(nèi)。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

結(jié)構(gòu)中間兩排為索塔的落地中柱，是截面為φ1 400×40的CFT(鋼管混凝土)圓柱，落地邊柱是截面為800×30的CFT方柱，2層及以上柱是截面為φ800×30的鋼管柱，各層樓面主梁是截面為□1 000×300的箱型鋼梁，次梁是截面為□600×200～□400×200的箱型鋼梁，中間兩跨柱設(shè)柱間支撐，柱間支撐是截面為□300×300的箱型鋼支撐，各層設(shè)部分面內(nèi)水平支撐，水平支撐是截面為□600×200～□400×200的箱型鋼梁；拉索采用φ7×(109～223)(雙索)高強度熱鍍鋅鋼絲束，樓板采用鋼筋桁架樓承板，典型厚度150mm。鋼材強度等級為Q390B。

3.4 設(shè)計主要控制指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標(biāo)如下：1)水平變形：地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/450，索塔水平向變形限值取1/300[3]；2)豎向撓度：跨中撓度限值取1/400；3)桿件長細(xì)比：關(guān)鍵構(gòu)件120，一般構(gòu)件150；4)桿件應(yīng)力比：不大于0.9f(f為鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設(shè)計值)。

3.5 結(jié)構(gòu)靜動力特性

3.5.1 自振特性

本項目有三處跨河道大跨結(jié)構(gòu)，其中東側(cè)及西側(cè)跨度接近，南側(cè)跨度最小，以下分析均以西側(cè)大跨結(jié)構(gòu)為例進行計算。

采用SAP2000軟件對結(jié)構(gòu)進行整體分析，振型計算時考慮結(jié)構(gòu)恒荷載及拉索初始張拉力共同作用對結(jié)構(gòu)剛度影響，結(jié)構(gòu)的前三階自振周期分別為0.960，0.735，0.705s，前三階振型如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)前三階振型

由結(jié)構(gòu)整體的自振特性可以看出，第一階振型為結(jié)構(gòu)整體的縱向平動，第二階振型主要為屋頂構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)，第三階振型為結(jié)構(gòu)整體的橫向上下擺動，扭轉(zhuǎn)周期比為0.77，滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)整體的抗扭剛度良好。

為考察拉索初始張拉力對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，另建立計算模型，振型計算時不考慮初始張拉力對結(jié)構(gòu)的影響，計算得結(jié)構(gòu)的前三階自振周期分別為0.958，0.734，0.705s，與考慮初始張拉力影響時誤差均不超過1%。計算結(jié)果表明，初始張拉力對結(jié)構(gòu)剛度影響非常小，結(jié)構(gòu)計算時可不考慮初始張拉力對結(jié)構(gòu)自振特性的影響。

3.5.2 結(jié)構(gòu)變形分析

結(jié)構(gòu)變形分析結(jié)果如下：

(1)地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值出現(xiàn)在1層，X方向為1/1 132，Y方向為1/634，均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/450，說明結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較大，滿足規(guī)范要求。

(2)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[4]，非地震組合及地震組合下的大跨度鋼結(jié)構(gòu)豎向撓度值均需滿足規(guī)范要求，本項目偏于嚴(yán)格地取1/400為撓跨比限值。計算表明，非地震組合下豎向撓度最大值為55mm，撓跨比為1/691；地震組合下豎向撓度最大值為47mm，撓跨比為1/808，均滿足規(guī)范要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析及研究

4.1 施工階段分析

與常規(guī)項目不同，本項目拉索在結(jié)構(gòu)成型過程中就必須預(yù)張拉，否則結(jié)構(gòu)將因大跨度而產(chǎn)生很大的變形。而常規(guī)設(shè)計只考慮結(jié)構(gòu)最終完成狀態(tài)，并不能反映出拉索預(yù)張拉及整個施工過程中結(jié)構(gòu)的受力變化，因此本項目必須進行施工階段分析[5]。

本項目由于落地柱豎向變形較小，而大跨度結(jié)構(gòu)豎向變形相對較大，因此，與落地柱相連的框架梁在豎向荷載作用下受力較大，特別是梁端彎矩較大。為減小結(jié)構(gòu)自重、恒荷載及拉索預(yù)張拉力作用下與落地柱連接的鋼梁端部彎矩，設(shè)計上采用“先鉸后剛”的方法[6]，即在施工過程中對與落地柱連接的鋼梁端部節(jié)點先設(shè)計為鉸接，待結(jié)構(gòu)全部施工完畢形成剛度后再將鋼梁翼緣與鋼柱焊接，形成剛接。此種做法既能減小框架梁受力，又能保證后期使用階段結(jié)構(gòu)的豎向剛度，避免因主梁鉸接而減小結(jié)構(gòu)的豎向剛度，提高結(jié)構(gòu)整體的舒適性。圖7為與落地柱連接主梁鉸接連接示意圖(圖中梁柱斷開處表示鉸接)。

圖7 主梁鉸接連接示意

圖8為梁柱節(jié)點不同剛鉸接方案計算結(jié)果對比，典型節(jié)點、索、塔柱、梁均為受力較大位置的構(gòu)件。圖中各方案依次為：全剛接方案(方案1)；全鉸后剛方案(與所有柱連接主梁均先鉸接后剛接)(方案2)；部分先鉸后剛方案1(僅與落地中柱連接主梁先鉸接后剛接)(方案3)；部分先鉸后剛方案2(與全部落地柱連接主梁先鉸接后剛接)(方案4)；部分純鉸接方案(與全部落地柱連接主梁均鉸接)(方案5)。

圖8 不同剛鉸接方案計算結(jié)果對比

綜合比較以上計算結(jié)果，本項目最終選用方案4，與方案1全剛接相比，斜拉索拉力、塔柱內(nèi)力、框架梁軸力變化較小，典型框架梁梁端彎矩由1 572KN·m減小為1 033KN·m，減小幅度達34%；由于結(jié)構(gòu)剛度前期有所減小，故結(jié)構(gòu)典型豎向位移由20.2mm增大為31.1mm，增大54%，增大后仍滿足規(guī)范要求。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)安裝、拉索張拉及樓板澆筑順序的不同，對比了3種不同的施工方案，見表1。

為準(zhǔn)確模擬上述施工次序下結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)，采用SAP2000軟件階段施工分析功能，根據(jù)不同的施工方案，定義相應(yīng)結(jié)構(gòu)荷載施加及剛度形成順序，按實際受力情況進行模擬。

不同施工方案對比 表1

對比各方案計算結(jié)果，相較于施工方案a，施工方案b有以下不足：先施工整體結(jié)構(gòu)及樓板后張拉，張拉時需克服樓板自重及剛度，在正常使用荷載下樓板最大主拉應(yīng)力為2.52MPa，較施工方案a的樓板最大主拉應(yīng)力1.62MPa增大56%，且拉索預(yù)張拉力5 700kN將比施工方案a的初始張拉力3 200kN增大78%，對張拉施工設(shè)備及工裝要求較高。施工方案c也有以下缺點：先施工頂層結(jié)構(gòu)后張拉，需搭設(shè)高空腳手架，且僅張拉頂層時結(jié)構(gòu)變形較大，最大達100mm，對于張拉施工的精度控制要求極高，大大增加了施工難度。

綜合考慮施工過程合理、可控并保證結(jié)構(gòu)受力的安全合理，本項目最終采用施工方案a。

4.2 拉索預(yù)張拉力取值原則

拉索預(yù)張拉力的確定關(guān)系到結(jié)構(gòu)受力的變化和大小，本項目預(yù)張拉力按以下原則進行取值：1)與塔柱連接的框架梁在結(jié)構(gòu)自重及預(yù)張拉力作用下的應(yīng)力基本等于其在恒荷載及活荷載組合下應(yīng)力；2)恒荷載作用下拉索處節(jié)點結(jié)構(gòu)豎向變形接近0；3)作為索塔的落地中柱頂端水平變形需滿足限值要求，需避免拉索預(yù)張拉力過大引起塔柱變形過大。

根據(jù)以上原則，本項目確定斜拉索預(yù)張拉力取值最大為3 200kN，最小為980kN。

4.3 弧形平面專項分析

本項目建筑平面為弧形，由于結(jié)構(gòu)外圈跨度比內(nèi)圈大，總荷載也比內(nèi)圈大，故外圈的豎向變形比內(nèi)圈大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)有向外圈扭轉(zhuǎn)向下的趨勢，同時由于拉索張拉的原因，結(jié)構(gòu)平面內(nèi)產(chǎn)生了較大的內(nèi)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計時為解決此問題，在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)設(shè)置面內(nèi)水平支撐，將原本由鋼梁承擔(dān)的彎矩轉(zhuǎn)化為支撐軸力，以減小相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力，同時加強結(jié)構(gòu)整體性。圖9為結(jié)構(gòu)樓層典型水平支撐設(shè)置方式。

圖9 結(jié)構(gòu)樓層典型水平支撐設(shè)置方式

設(shè)計時考慮五種不同的水平支撐方案，分別為：各層均不設(shè)面內(nèi)支撐方案(方案A)、各層各跨均設(shè)面內(nèi)支撐方案(方案B)、各層中間跨設(shè)面內(nèi)支撐方案(方案C)、下兩層中間跨設(shè)面內(nèi)支撐方案(方案D)、下兩層中間跨及頂層外邊跨設(shè)面內(nèi)支撐方案(方案E)。屋頂層因建筑凈高要求在中間跨有高差而不能在中間跨設(shè)支撐，故增加對比方案D、方案E。圖10為各方案的計算結(jié)果對比。

圖10 樓層平面內(nèi)設(shè)置水平支撐方案對比

綜合比較以上計算結(jié)果，本項目最終選用方案E，與方案A相比，結(jié)構(gòu)典型節(jié)點水平位移由18mm減小為9.5mm，減小47%；邊跨主梁軸力、彎矩、剪力均有較大減小，減小幅度為15%～21%。

4.4 樓板剛度退化分析

主體結(jié)構(gòu)均采用鋼構(gòu)件，樓面體系為混凝土樓板，由于斜拉結(jié)構(gòu)面內(nèi)有較大軸力，計算時樓板將會分擔(dān)一部分軸力，而混凝土具有收縮徐變特性，故設(shè)計時應(yīng)考慮混凝土在長期荷載作用下的剛度退化[7]。為了評估混凝土剛度退化對結(jié)構(gòu)整體安全性的影響，分別考慮樓板剛度退化50%和退化100%時，在恒活荷載組合下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的變化。

在前述施工次序分析中，已精確考慮樓板剛度的形成過程，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、拉索預(yù)張拉力及樓板自重施加后樓板剛度才形成，因此兩種考慮樓板剛度退化計算模型與實際模型的區(qū)別僅在于附加恒荷載及樓面活荷載施加時樓板剛度的退化。圖11為兩種剛度退化模型樓板剛度退化前后構(gòu)件在恒活荷載組合下應(yīng)力比變化結(jié)果。從圖11可看出，考慮樓板剛度退化50%時，恒活荷載組合下構(gòu)件應(yīng)力比增大6%；考慮樓板剛度退化100%時，構(gòu)件應(yīng)力比增大35%。

圖11 樓板剛度退化前后構(gòu)件應(yīng)力比變化

4.5 斜拉索應(yīng)力松弛分析

應(yīng)力松弛是指材料在高溫和應(yīng)力作用下產(chǎn)生微塑性變形并逐漸積累，在保持應(yīng)變或位移不變的前提下，應(yīng)力隨時間延長逐漸降低的現(xiàn)象。在橋梁結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力松弛現(xiàn)象普遍存在于預(yù)應(yīng)力筋、斜拉橋的斜拉索以及懸索橋的主纜中[8]。對于本項目而言，斜拉索的應(yīng)力松弛導(dǎo)致索力變化，從而會對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形產(chǎn)生影響。本文采用等效溫度法模擬斜拉索的應(yīng)力松弛行為，斜拉索的松弛率按照《斜拉橋用熱擠塑聚乙烯高強鋼絲拉索》(GB/T 18365—2018)中關(guān)于低松弛鋼絞線的規(guī)定，取最大容許松弛率2.5%。表2為考慮應(yīng)力松弛后，結(jié)構(gòu)典型節(jié)點位移及構(gòu)件內(nèi)力變化情況。從表2可看出，應(yīng)力松弛對拉索拉力、塔柱應(yīng)力、梁軸力影響不大，對部分節(jié)點位移、框架梁彎矩影響較大，故對于本項目應(yīng)進行應(yīng)力松弛分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮應(yīng)力松弛后，構(gòu)件應(yīng)力比仍小于0.9，滿足受力要求。

考慮應(yīng)力松弛后典型節(jié)點位移及構(gòu)件內(nèi)力變化 表2

4.6 防連續(xù)倒塌分析

結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的設(shè)計方法目前有間接設(shè)計法和直接設(shè)計法兩種。間接設(shè)計法的缺點是難以準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌的有效性。直接分析法包括拉結(jié)構(gòu)件法和拆除構(gòu)件法。拆除構(gòu)件法有靜力分析法和動力分析法，其中靜力分析法需考慮結(jié)構(gòu)倒塌過程的動力效應(yīng)。

本項目假定大跨度斜拉結(jié)構(gòu)中受力最大的索失效退出工作，分析時采用靜力分析法，取動力放大系數(shù)A=2[9]，考察結(jié)構(gòu)是否滿足防連續(xù)倒塌設(shè)計要求。圖12表示受力最大索失效的缺陷模型。按上述失效模型進行計算分析，圖13，14分別為拉索失效后結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖。

圖12 缺陷模型

圖13 失效模型變形云圖/mm

圖14 失效模型應(yīng)力云圖/MPa

從圖13,14可看出，結(jié)構(gòu)豎向位移最大為99.3mm，撓跨比為1/382，略大于正常使用狀態(tài)撓跨比限值1/400；構(gòu)件最大應(yīng)力為396N/mm2，小于Q390鋼材極限抗拉強度490N/mm2，說明結(jié)構(gòu)可繼續(xù)承載，不會發(fā)生連續(xù)倒塌。

4.7 活荷載不均勻分布分析

由于本項目總長度約90m，中間跨度約38.8m，兩邊跨度約26m，為考慮活荷載不均勻布置對結(jié)構(gòu)受力的影響，建立兩種模型：僅中間跨滿布活載，兩邊跨活載為0(模型1)；僅兩邊跨滿布活載，中間跨活載為0(模型2)。圖15為兩種模型相對活荷載均勻布置模型應(yīng)力比變化結(jié)果。

從圖15可看出，中間跨滿布活載時，構(gòu)件最大應(yīng)力比由0.853減小為0.759；兩邊跨滿布活載時，構(gòu)件最大應(yīng)力比增大為0.864?？紤]活荷載不均勻分布后，構(gòu)件應(yīng)力比增大不超過2%?？梢娀詈奢d不均勻分布對此種重型大跨結(jié)構(gòu)影響不大。

圖15 活荷載不均勻分布構(gòu)件應(yīng)力比變化

4.8 樓蓋振動舒適度分析

本項目為大跨公共建筑，應(yīng)進行行走激勵下的樓蓋振動舒適度分析。根據(jù)《建筑樓蓋振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[10]相關(guān)規(guī)定：對于建筑使用功能為教室的樓蓋，其豎向振動加速度限值為0.050m/s2；鋼-混凝土組合樓蓋阻尼比取0.02；以行走激勵為主的樓蓋結(jié)構(gòu)可按單人行走激勵計算樓蓋的振動響應(yīng)；行走激勵荷載取該規(guī)范推薦的步行荷載函數(shù)，荷載曲線見圖16。

圖16 行走激勵荷載曲線

本項目采用SAP2000軟件進行整體有限元計算，結(jié)構(gòu)第一階豎向振動頻率f1=2.11Hz?？紤]到加速度最大點對應(yīng)結(jié)構(gòu)位移最大位置，因此將行走激勵荷載以節(jié)點動力荷載輸入結(jié)構(gòu)位移最大點處，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)曲線見圖17。

圖17 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

頂部斜拉式大跨多層鋼框架結(jié)構(gòu)由于拉索預(yù)張拉力的存在，按常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計不能考慮結(jié)構(gòu)受力過程，也不能正確反映結(jié)構(gòu)最終受力狀態(tài)，設(shè)計時必須考慮施工次序的影響。通過對本項目的分析與設(shè)計，得出此種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計要點及結(jié)論如下：

(1)鋼梁梁端節(jié)點“先鉸后剛”設(shè)計能有效減小構(gòu)件內(nèi)力，并保證結(jié)構(gòu)豎向剛度不因節(jié)點鉸接而過小。

(2)拉索預(yù)張拉力的確定宜兼顧施工過程中的受力狀態(tài)及最終結(jié)構(gòu)成型時的受力狀態(tài)，確保預(yù)張拉力取值合理、高效。

(3)弧形平面大跨度多層結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)關(guān)注因圓弧外圈跨度較大引起的結(jié)構(gòu)豎向變形差異，可能在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生較大次內(nèi)力，必要時可在面內(nèi)設(shè)置水平支撐，減小構(gòu)件次內(nèi)力的同時加強結(jié)構(gòu)整體性。

(4)施工階段分析時考慮樓板剛度形成次序的情況下，后期考慮樓板剛度退化50%對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力影響較小。

(5)斜拉索應(yīng)力松弛現(xiàn)象對拉索拉力、塔柱應(yīng)力、梁軸力影響不大，對部分節(jié)點位移、框架梁彎矩影響較大，故斜拉結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)進行應(yīng)力松弛分析，確保結(jié)構(gòu)安全性。

(6)本項目考慮受力最大的拉索失效后，結(jié)構(gòu)變形略超規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力最大值不超過鋼材極限抗拉強度，不會發(fā)生連續(xù)倒塌。

(7)斜拉大跨度多層結(jié)構(gòu)由于自重較重，對活荷載不均勻布置并不敏感。

(8)本項目樓蓋不利振動點的豎向峰值加速度計算結(jié)果小于規(guī)范限值，樓蓋振動舒適度滿足要求。