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        某景觀工程構筑物鋼結構的設計與分析

        2023-07-29 11:45:56孫豐
        工程建設與設計 2023年13期
        關鍵詞:外筒樹屋觀鳥

        1 工程概況

        海口市南渡江河口右岸生態(tài)修復項目位于海南省海口市南渡江河口右岸,長約4 500 m,寬約130~650 m 不等,總占地面積1 073 061.43 m2。建設內(nèi)容包括綠化種植工程、土方工程、硬質(zhì)工程、小品及設施、構筑物、建筑、橋梁、駁岸生態(tài)提升、室外安裝工程、生態(tài)停車場及其他相關設施等。 其中構筑物工程中的東岸塔、觀鳥塔、樹屋均采用鋼框架結構,外立面采用金屬格柵,效果圖見圖1。

        圖1 效果圖

        主要設計參數(shù):設計使用年限為50 年,建筑結構安全等級為二級,重要性系數(shù)為1.0,抗震設防類別為標準設防(丙)類。

        2 結構布置

        2.1 東岸塔

        東岸塔平面呈圓形,立面呈紡錘形,內(nèi)設7 層上人平臺,層高均為5.8 m,主屋面高度48.0 m,建筑最大高度59.8 m。 主體結構由內(nèi)、外兩個筒體組成:內(nèi)筒直徑沿高度相同,均為10.1 m;外筒直徑沿高度變化, 底部為11.84 m, 中部最大直徑為16.123 m,屋面為13.595 m;結構平面和立面布置見圖2。

        圖2 東岸塔結構平面和立面布置圖

        外筒框架柱、環(huán)形框架梁均采用矩形鋼方管。 根據(jù)建筑立面要求,柱截面寬度、梁截面高度不變,均為400 mm,柱截面高度、梁截面寬度、壁厚沿建筑高度增加逐漸減?。褐?00~1 000 mm、壁厚24~32 mm,梁寬400~800 mm、壁厚20~28 mm。

        內(nèi)筒框架柱采用圓鋼管, 鋼管直徑均為400 mm, 壁厚36~40 mm。 框架梁采用鋼方管,環(huán)形框架梁截面為400 mm×250 mm×18 mm,其余梁為450 mm×250 mm×18 mm。

        內(nèi)外筒體之間在各層平面采用鋼梁連接, 在34.750 m、40.550 m 標高層設鋼梁與樓板連接, 形成剛度較好的整體結構,共同承擔豎向荷載和水平荷載。

        2.2 觀鳥塔

        觀鳥塔與東岸塔類似,平面呈圓形,立面呈紡錘形,內(nèi)設3 層上人平臺,層高自下向上分別為11.88 m、11.88 m、15.14 m,主屋面高度38.9 m,建筑最大高度55.3 m。 主體結構由內(nèi)、外兩個筒體組成: 內(nèi)筒直徑在38.850m 標高以下為6.12 m(B軸),38.850 m 標高以上縮小至3.12 m(C 軸);外筒直徑沿高度變化, 底部為8.9 m、 中部最大直徑為13.616 m、 屋面為11.953 m;結構平面和立面布置見圖3。

        圖3 觀鳥塔結構平面和立面

        外筒框架柱、 環(huán)形框架梁均采用矩形鋼方管。 柱截面26.788 m 標高以下為700 mm×300 mm×24mm,26.788 m 標高以上為500 mm×300 mm×20 mm;8~12 軸外框架柱因設置出入口不落地, 采用700 mm×300 mm×38 mm 雙曲落地拱進行豎向轉換。 環(huán)形框架梁沿高度在樓梯平臺層、上人平臺層設置,間距為2.91~3.1m,梁截面:11.830m 標高及以下為500mm×300mm×20 mm,11.830m 標高以上為400 mm×250 mm×18 mm。

        內(nèi)筒框架柱采用φ299 mm×16 mm 圓鋼管??蚣芰翰捎娩摲焦?,截面:上人平臺層為350 mm×250 mm×12 mm,樓梯平臺層為250 mm×150 mm×12 mm。

        外筒與內(nèi)筒在11.830 m、23.710 m、38.850 m 標高設置鋼梁連接,形成剛度較好的整體結構,共同承擔豎向荷載和水平荷載。

        2.3 樹屋

        樹屋外形類似樹形,內(nèi)設3 層上人平臺,層高自下向上分別為6.0 m、6.0 m、4.8 m,主屋面高度16.8 m,建筑最大高度20.3 m。平面近似圓形,底部為4.36 m、中部最大直徑為9.947 m、屋面為8.361 m,結構平面和立面布置見圖4。

        圖4 樹屋結構平面和立面

        樹屋采用中央φ1 500 mm×40 mm 直徑圓鋼筒, 與周邊200 mm×100 mm×8 mm 方鋼管雙曲密柱,共同形成內(nèi)部1.5 m圓鋼管筒體+ 外部鋼結構雙曲密柱的結構體系。 內(nèi)外結構通過5.950 m、11.950 m、16.750 m 標高3 處鋼結構平臺連接,形成剛度較好的整體結構。 類似觀鳥塔,部分外筒雙曲密柱因設置出入口不落地, 采用200 mm×100 mm×16 mm 雙曲落地拱進行豎向轉換。

        2.4 材料

        鋼材均采用Q355B。當板厚≥40 mm 時,鋼材應具有厚度方向抗撕裂性能即Z 向性能的保證, 沿板厚方向斷面收縮率不小于Z15 級允許限值[1]。

        樓屋面板混凝土強度等級采用C30,鋼筋采用HRB400 級。

        3 計算分析

        3.1 荷載和作用

        活荷載標準值:觀景平臺等上人處為4.0 kN/m2,不上人屋面為0.5 kN/m2。

        由于主體結構均為鋼結構,對風荷載敏感,且海口市處于臺風多發(fā)地區(qū),因此,基本風壓按100 年一遇,取風荷載w0=0.90 kN/m2,地面粗糙度取A 類。 風振系數(shù)取2.0,高度變化系數(shù)1.1~2.0(分段按高點取值),體形系數(shù)(偏保守按封閉柱形面取值):迎風面為+1.0、背風面為-0.6、側面風吸最大值為-2.5[2]。 由效果圖可知,各構筑物僅設置鏤空格柵作為外圍護結構,鏤空格柵占外立面的面積很小,偏于安全,風荷載鏤空系數(shù)取0.8。 各單體分荷載取值見表1。

        表1 各構筑物風荷載標準值

        該項目位于海口市,抗震設防烈度8 度,設計基本地震加速度值0.30g,設計地震分組為第二組,建筑場地類別Ⅲ類,設計特征周期為0.55 s,多遇地震作用下水平地震影響系數(shù)最大值0.24[3]。

        由于構筑物外圍護結構不封閉,因此,計算中需要考慮溫度作用。??谑谢練鉁刈畹蜑?0 ℃,最高為37 ℃,計算時,合龍時溫度取24 ℃(年平均氣溫),按升溫+15 ℃、降溫-15 ℃考慮。

        3.2 計算分析

        東岸塔、觀鳥塔、樹屋均采用Midas GEN 通用有限元程序進行計算。 由于各單體平面呈圓形或近似圓形,計算中對風荷載、地震作用的計算方向角進行包絡設計,取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°、豎向,共14 個方向(180°~360°區(qū)間與0~180°區(qū)間對稱)進行計算。 結構阻尼比取0.03。 抗震等級:東岸塔二級;觀鳥塔、樹屋三級。

        各構筑物前三周期見表2。 計算結果表明:結構自振周期隨構筑物總高度的降低而減小;扭轉周期比0.376~0.506,均遠小于0.9。 各構筑物在多遇地震作用下,底層剪重比和扭轉位移比見表3,最大層間位移角見表4。 在風荷載作用下最大層間位移角見表5。各構筑物在風荷載和地震作用下的最大頂點位移見圖5。 各構筑物變形均由風荷載控制,且均為標準設防丙類、多遇地震下層間位移角遠小于規(guī)范現(xiàn)值,因此,按JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》[4]的3.5.3 條,可不進行罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性變形驗算。

        表2 前三周期和扭轉周期比

        表3 多遇地震作用下底層剪重比和扭轉位移比

        表4 多遇地震作用下層間位移角

        表5 風荷載下層間位移角

        圖5 風荷載和地震作用下的最大頂點位移

        計算結果表明:

        1)多遇地震作用下最大層間位移角均小于1/250,底層剪重比均大于4.8%,扭轉位移比均小于1.5,風荷載下最大層間位移角均小于1/250,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

        2)最大層間位移角方向角東岸塔為135°、樹屋為165°,證明按15°增量方向角包絡計算是必要的。

        3)風荷載下最大層間位移角方向角為0°或180°,為迎風面積最大的方向。

        4)多遇地震作用下層間位移角均遠小于風荷載下的層間位移角,水平控制荷載為風荷載。

        3.3 二階彈性分析

        東岸塔、觀鳥塔、樹屋的高寬比為5.05、6.21、4.66。 觀鳥塔大于鋼結構建筑適用的最大高寬比6.0, 東岸塔高度較高,樹屋立面不對稱,呈上大下小形態(tài),且東岸塔、觀鳥塔外圍框架柱均為曲柱,樹屋外圍框架柱為雙曲柱。因此,3 個構筑物應考慮重力二階效應的影響,根據(jù)外圍柱最大計算應力組合,選取“1.3 恒載+1.5 風載+1.05 活載”組合進行二階P -Δ 彈性分析。二階彈性分析和一階彈性分析頂點最大位移見表6,桿件最大應力見表7。

        表6 一階彈性分析、二階彈性分析頂點最大位移

        表7 一階彈性分析、二階彈性分析桿件最大應力

        計算結果表明:

        1)3 個構筑物二階彈性分析和一階彈性分析對桿件的最大應力相差不大,應力二階效應系數(shù)小于0.05,影響不大,從桿件應力角度可不考慮二階效應的影響。

        2)二階彈性分析和一階彈性分析頂點的最大位移,東岸塔位移差4.016 mm,觀鳥塔位移差5.314 mm,二階效應系數(shù)0.026~0.040,均小于0.10,可不考慮二階效應的影響。

        3)樹屋二階彈性分析和一階彈性分析頂點的最大位移相差5.374 mm,二階效應系數(shù)0.107,大于0.10,應考慮二階效應的影響。 樹屋雖然在3 個構筑物中高寬比最小,但二階效應影響最大, 與樹屋上大下小的不規(guī)則立面形態(tài)、 質(zhì)量分布不均勻、以及雙曲外圍框架柱的結構布置特點密不可分。

        3.4 風振舒適度及臨界風速驗算

        東岸塔、觀鳥塔高度接近60 m,平面圓形,因此,對兩單體進行了風振舒適度和臨界風速驗算,計算結算結果見表8。

        表8 頂點加速度、臨界風速、頂部風速

        計算結果表明:10 年一遇的風荷載標準值作用下,結構頂點的順風向和橫風向振動最大加速度計算值小于加速度限值0.20 m/s2,結構頂部風速均小于臨界風速,滿足規(guī)范要求,東岸塔頂部風速和臨界風速較接近。

        3.5 外筒柱穩(wěn)定分析

        由于3 個單體的外筒柱均為曲柱, 對外筒柱進行了屈曲分析。東岸塔第一階屈曲模態(tài)出現(xiàn)在11.6 m 高度,觀鳥塔第一階屈曲模態(tài)出現(xiàn)在11.88 m 高度、樹屋第一階屈曲模態(tài)出現(xiàn)在底層雙曲柱。屈曲系數(shù)、外筒框架柱應力比見表9。柱的最大穩(wěn)定應力比均小于0.8。

        表9 屈曲系數(shù)、應力比

        3.6 外筒轉換拱計算分析

        觀鳥塔、 樹屋底層入口位置設置轉換拱支撐上部外筒框架柱。 對轉換拱進行了細化分析,并考慮了二階效應的影響,應力云圖見圖6。 觀鳥塔、樹屋轉換拱最大應力為230.6 MPa、242.4 MPa。

        圖6 轉換拱應力云圖

        4 結論

        1)通過結構一階彈性分析、二階彈性分析、穩(wěn)定性分析等,表明東岸塔、觀鳥塔、樹屋的強度、穩(wěn)定、變形、舒適度驗算等均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,結構設計是合理安全可靠的。

        2)計算分析表明,圓形平面建筑在風荷載和地震作用計算時,應按15°增量方向角進行包絡計算,確定該荷載作用下的最大方向角。

        3)二階彈性分析表明,類似于樹屋的立面形態(tài)復雜的建筑結構,應進行二階彈性分析。

        4)舒適度驗算表明,高寬比較大、第一周期也較大的圓形平面建筑,應進行臨界風速的驗算。

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