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摘  要：貴陽(yáng)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(guò)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(guò)程及設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：貴陽(yáng)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(yáng)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(wèn)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。基本上大荷載、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(guò)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(lái)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。考慮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(lái)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(wú)剛域時(shí)，位移和內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果。表中無(wú)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(wèn)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(yǔ)

貴陽(yáng)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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