摘  要：貴陽市城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館是一棟荷載較大、跨度較大、帶有較大懸挑的公共建筑。結(jié)構(gòu)采用了以框架剪力墻為主要抗側(cè)力體系，以大跨度懸掛鋼結(jié)構(gòu)為主要樓蓋承重體系的結(jié)構(gòu)形式。其中，剪力墻為四組型鋼混凝土筒體組成，框架柱主要由方鋼管混凝土疊合柱組成，屋蓋為高近六米的桁架組成，屋蓋桁架同時(shí)在建筑物東側(cè)、北側(cè)懸挑16m，通過下掛鋼斜撐、下掛鋼柱吊掛以下各樓層，結(jié)構(gòu)形式新穎。本文主要從工程概況、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)三方面簡(jiǎn)要介紹了該工程的設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：貴陽城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館 大跨懸掛鋼結(jié)構(gòu) 鋼管混凝土疊合柱

1.    工程概況

貴陽市城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館整體為長(zhǎng)約112m，寬約70 m，高約34m，地上四層（二層上方有局部夾層），地下一層的長(zhǎng)方體建筑。圖1是整棟建筑的效果圖，圖2～圖6為建筑一層平面及四個(gè)剖面圖。從平面上看，二層（標(biāo)高5.700）樓面、三層（標(biāo)高13.700）樓面以及大屋面（標(biāo)高32.200）樓板基本完整，二層夾層（標(biāo)高9.700）、四層（標(biāo)高13.700）樓面以及屋面桁架下弦平面（標(biāo)高25.200）僅局部有樓板。從剖面上看，建筑為了解決采光、人流組織等問題，采用了樓板跌落及懸挑建筑空間的做法不僅使樓板標(biāo)高變化較多，而且整個(gè)建筑的東邊及北邊從三層起至屋面的部分均向外懸挑了兩跨16m。從使用功能看，做為展覽館，需要較大空間，故層高及跨度較大。屋面最大跨度60mX48m，樓面最大跨度40m×24m。另外屋面、室外花園的覆土要求（土厚500mm）以及展覽館的布展要求（活荷載10kPa）也使整個(gè)結(jié)構(gòu)的荷載很大?；旧洗蠛奢d、大跨度、樓板錯(cuò)落標(biāo)高復(fù)雜是本建筑的特點(diǎn)。

圖1  全樓效果圖

根據(jù)建筑布置，結(jié)構(gòu)選用了以框架剪力墻為主要抗側(cè)力體系，以大跨度懸掛鋼結(jié)構(gòu)為主要樓蓋承重體系的結(jié)構(gòu)形式。

首先是在建筑四角利用豎向交通、豎向管井的位置構(gòu)建四個(gè)混凝土筒體。因?yàn)槲萆w兩個(gè)方向尺度差異不大，所以采用了正交正方四周支撐的雙向桁架結(jié)構(gòu)。桁架失高5.750m，桁架支于混凝土筒體及周邊柱上，并在建筑東邊及北邊的懸挑位置外伸，然后向下懸掛構(gòu)件形成3層及四層的樓面。由于三層懸挑位置使用功能為展廳及室外花園，加之屋面荷載，總荷載較大，懸挑部位桁架失高仍為5.750m，則構(gòu)件內(nèi)力過大。我們利用三層及四層的層高，在混凝土筒體相連的懸挑位置構(gòu)建了失高更高的桁架。由于懸挑桁架下弦受壓為主，所以選擇了有完整樓板的三層做為懸挑桁架的下弦層，避免桁架下弦構(gòu)件為穩(wěn)定控制[1]。為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，使荷載更加均勻的傳遞至基礎(chǔ)，我們又在不影響建筑使用的地方增加了一些斜桿。圖7、圖8分別為C軸、11軸的結(jié)構(gòu)布置立面圖，圖9為結(jié)構(gòu)空間布置示意圖。

圖2  首層建筑平面圖

圖3  1-1建筑剖面

圖4  2-2建筑剖面

圖5  3-3建筑剖面

圖6  4-4建筑剖面

圖7  C軸結(jié)構(gòu)立面布置圖

圖8  11軸結(jié)構(gòu)立面布置圖

圖9  結(jié)構(gòu)空間布置示意圖

2.    整體計(jì)算

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，使用年限50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，抗震設(shè)防類別為乙類[2]，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。工程建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，反應(yīng)譜特征周期為0.35s，阻尼比取0.04，未考慮豎向地震作用[3]。當(dāng)?shù)?/span>50年一遇的基本風(fēng)壓為0.3kPa，地面粗糙類別為B類。50年一遇的基本雪壓為0.20kPa[4]。結(jié)構(gòu)的整體性計(jì)算采用了Midas和PKPM兩個(gè)軟件。表1至表4為兩個(gè)軟件整體分析的計(jì)算指標(biāo)對(duì)比。

表1  MIDAS/GEN、PKPM整體計(jì)算周期

表2  MIDAS/GEN、PKPM整體計(jì)算層剛度比

表3  PKPM整體計(jì)算本層與上一層的承載力之比

表4  MIDAS/GEN、PKPM整體計(jì)算層間位移

在各項(xiàng)指標(biāo)中看到，除樓層承載力比不滿足規(guī)范要求外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果較為接近。但本工程結(jié)構(gòu)體系與一般形式的結(jié)構(gòu)體系不同。上部桁架的剛度很大，桁架含有較多斜桿，影響了抗剪承載力的計(jì)算。但實(shí)際上所有剪力基本上均是傳至四個(gè)混凝土筒體，然后在向下傳遞的，而混凝土筒體基本上各層變化不大，故抗剪承載力各層變化應(yīng)該不大。

3.    構(gòu)件設(shè)計(jì)

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的具體桿件的內(nèi)力及變形分析，我們采用了Midas和3D3S兩個(gè)軟件。在3D3S中，構(gòu)成混凝土筒體的剪力墻的模擬是采用了桁架來模擬的。由于桁架的豎向剛度和水平剛度均與剪力墻剛度有差異，該差異會(huì)引起內(nèi)力計(jì)算的差異?？紤]到本工程以豎向荷載為主要荷載，地震力及風(fēng)力較小，且屋蓋整體為空間結(jié)構(gòu)，做為支座的混凝土筒體及柱的豎向變形會(huì)引起屋蓋內(nèi)力分配的較大變化，我們?cè)谀M混凝土筒體時(shí)，盡量使模擬混凝土筒體的桁架的四角豎向變形與Midas計(jì)算的混凝土筒體四角豎向變形一致為原則來確定模擬混凝土筒體的桁架的桿件。但由于模擬混凝土筒體的桁架水平剛度仍小于剪力墻，在懸挑處，做為懸挑鋼結(jié)構(gòu)支座的核芯筒的整體變形仍會(huì)對(duì)懸挑鋼結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力計(jì)算造成一定影響。表5為兩個(gè)軟件計(jì)算的混凝土筒體角點(diǎn)位移。表6、表7為兩個(gè)軟件在整個(gè)建筑懸挑的典型位置（建筑的右下角，雙向懸挑16m的位置）的內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。從計(jì)算結(jié)果上看，3d3s計(jì)算的撓度和內(nèi)力均較MIDAS/GEN計(jì)算結(jié)果大，撓度差異達(dá)40％，內(nèi)力差異在10％以內(nèi)。撓度差異較大的原因主要是混凝土筒體水平位移及轉(zhuǎn)角位移經(jīng)懸挑桿件放大造成的，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果差異則在可接受的范圍。按照MIDAS/GEN的計(jì)算結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)的變形均滿足規(guī)范要求。

表5  MIDAS/GEN、3d3s在恒荷載作用下核芯筒角點(diǎn)位移

表6  MIDAS/GEN、3d3s 計(jì)算的在恒荷載作用下懸挑位置位移

表7  MIDAS/GEN、3D3S在恒荷載作用下懸挑桁架內(nèi)力

混凝土筒體剛度的不同還影響了溫度作用。由于混凝土筒體的約束，結(jié)構(gòu)在溫升及溫降時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的軸向力，特別是在混凝土筒體之間的構(gòu)件。3D3S模型中，由于混凝土筒體水平剛度較小，計(jì)算出的構(gòu)件溫度內(nèi)力較小。

為了簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，在構(gòu)件截面選型時(shí)盡可能的選用了工字型截面，但在受力較大的位置，還是不可避免的使用了一些焊接箱型截面構(gòu)件。這些箱型構(gòu)件匯交處也是結(jié)構(gòu)受力較大且構(gòu)件匯交數(shù)量較多的位置。這些位置的節(jié)點(diǎn)使用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)。為了考慮鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)于整體桿件計(jì)算的影響，我們按照鑄鋼件大小，將鑄鋼件簡(jiǎn)化為剛域進(jìn)行了整體模擬。計(jì)算表明由于鑄鋼件的影響，變形有所減少，但內(nèi)力會(huì)向有剛域的桁架集中，軸力變化不明顯，但彎矩增加較大。表8、表9分別為MIDAS/GEN計(jì)算的有剛域和無剛域時(shí)，位移和內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果。表中無剛域的強(qiáng)軸彎矩為桿件端部的彎矩，如對(duì)比剛域端部的彎矩，則更明顯的看到剛域使得桿件彎矩增加較多。

表8  MIDAS/GEN計(jì)算的在恒荷載作用下懸挑位置位移

表9  MIDAS/GEN計(jì)算的在恒荷載作用下懸挑桁架內(nèi)力

  由于建筑在使用中，樓板可做為受壓構(gòu)件的側(cè)向支撐，故在設(shè)計(jì)中，未考慮構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定。而在施工中，樓板是分片施工的，未施工樓板的部分在施工荷載作用下，受壓構(gòu)件存在側(cè)向穩(wěn)定問題。由于本建筑的屋面覆土荷載及展覽館的活荷載較大，這些荷載都是在結(jié)構(gòu)體系完成后加載的，而樓板自重所占比例較小，故施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的安全性影響不大。我們也使用Midas對(duì)加載情況進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果也表明結(jié)構(gòu)安全。

4.    結(jié) 語

貴陽市城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館的結(jié)構(gòu)形式還是較為新穎的。我們使用多種軟件并考慮多種情況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，從計(jì)算結(jié)果上看，該結(jié)構(gòu)是具有足夠的安全性能的。 

參考文獻(xiàn)

[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50017-2003) [S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003

[2] 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)(GB 50223-2008) [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008

[3] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2010) [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[4] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范2006年版(GB 50009-2001) [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

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