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成都市中房二期工程綜合樓屋面鋼管桁架結構設計

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    蘇? 丁大益
    [提要] 成都市房地產(chǎn)交易市場(chǎng)二期工程綜合樓A區鋼管桁架結構，平面呈長(cháng)方體（局部開(kāi)孔且懸挑較大），側面呈一端上翹的菱形，采用平面鋼桁架交叉桿系結構。本文介紹了結構設計的全過(guò)程，同時(shí)對鋼結構的地震反應進(jìn)行了分析，得出的一些結論供相關(guān)工程參考。
    [關(guān)鍵詞] 管桁架結構，相貫節點(diǎn)，內力組合，抗震分析。
    一、管桁架概述
    管桁架結構（亦稱(chēng)為管結構、管桁架、鋼管桁架結構）近年來(lái)在大跨度空間結構中得到了廣泛的應用。管桁架結構的結構體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區別在于連接節點(diǎn)的方式不同。網(wǎng)架結構采用螺栓球或空心球節點(diǎn)，過(guò)去的屋架經(jīng)常采用板新型節點(diǎn)，而管桁架結構采用在節點(diǎn)處采用桿件間直接焊接的相貫節點(diǎn)（或稱(chēng)管節點(diǎn)）。在貫節點(diǎn)處，只有在同一軸線(xiàn)上的兩個(gè)主管貫通，其余桿件（即支管）通過(guò)端部相貫線(xiàn)加工后，直接焊在貫通桿件（即主管）的外表；非貫通桿件可能在節點(diǎn)部位有一定的間隙（間隙型節點(diǎn)），也可能部分重疊（搭接型節點(diǎn)）。相貫線(xiàn)切割曾被視為難度叫高的加工工藝，因為交匯點(diǎn)桿件的數量、尺寸，角度的不同使得相貫線(xiàn)性形態(tài)各異，且破口處理困難。但隨著(zhù)多維數控技術(shù)的發(fā)展，這些難點(diǎn)一被克服。目前國內一些企業(yè)已裝備了相貫線(xiàn)切割機，相貫節點(diǎn)管桁架結構在大跨度建筑中得到了前所未有的應用。
    二、本鋼結構工程概況
    成都市房地產(chǎn)交易市場(chǎng)二期工程，位于四川省成都市后子門(mén)，是一個(gè)集房地產(chǎn)展覽，辦證大廳，餐飲娛樂(lè )，休閑為一體的綜合性建筑。該建筑地上六層，地下兩層，建筑高度為30.000M，總建筑面積為79366.87M 。
    該建筑工程設計等級為一級，結構安全等級為二級，結構類(lèi)型為鋼筋混凝土框架結構，建筑抗震設防烈度為7度。建筑耐火等級為一級，屬一類(lèi)高層建筑，屋面防水等級為II級，地下室防水等級為一級。
    結構形式：主體為鋼筋砼框架結構，屋頂為平面交叉鋼管桁架體系。建筑結構的安全等級為二級，結構使用年限為50年。重要性系數取1.0。
    整個(gè)建筑造型新穎獨特，線(xiàn)條優(yōu)雅流暢，色彩簡(jiǎn)單明快，虛實(shí)對比恰當，給人以強烈的現代氣息。尤其是A區菱形屋面，其平面尺寸為104.7MX63.3M，支撐于端部的落地鋼管格構柱高28M，臨街處飛檐出挑12M～21.55M不等，富于動(dòng)感。
    三、結構方案確定
    最初的鋼結構方案為曲面焊接球形網(wǎng)架，從本項目的平面形狀及體形分析，也不失為一種合理的選擇，可利用焊接球網(wǎng)架桿件布置的靈活性來(lái)實(shí)現建筑設計的造型。但該方案處理鋼結構同屋面板的連接較為困難，必須通過(guò)連接于網(wǎng)架球節點(diǎn)的主副檁條來(lái)連接屋面外板和內板。檁條對結構整體剛度沒(méi)有貢獻，會(huì )造成鋼結構一定的重復用量。
    為避免以上的問(wèn)題，將檁條作為結構整體的一部分（同時(shí)又能同屋面內外板有效的結合），我們確定了以下的方案（見(jiàn)圖一）。
    平面鋼桁架交叉桿系結構－沿字母軸方向按建筑外形的要求設計成平面梭形鋼桁架，沿數字軸方向設計平面桁架式檁條，在必要的位置設立主受力桁架（2，3、4、8、9、10軸TR-A～TR-F）?？v橫兩向桁架在每一軸線(xiàn)上相交成交叉桁架，兩向桁架互為約束，形成較大的空間剛度，同原網(wǎng)架方案相比具有相似的結構整體剛度。
    節點(diǎn)采用相貫式焊接，連接可靠簡(jiǎn)潔，可分為幾個(gè)構件段分別吊裝，比原網(wǎng)架方案具有安裝上的優(yōu)勢?？v向桁架式檁條上下弦采用薄壁方鋼管，屋面外、內板可直接連接于桁架式檁條上。
    由于鋼結構附加在鋼筋砼框架結構屋頂，四面開(kāi)敞，對風(fēng)的作用非常敏感，設計結構的剛度要充分考慮風(fēng)振的影響，要使結構在各種可能的荷載作用下，均具有有效恒定的剛度，并應使其固有頻率偏離成都本地風(fēng)的頻率，避免結構發(fā)生共振效應。
    采用此方案經(jīng)計算比較在不提高鋼材強度的前提下可節約用鋼量約30％。


    四、結構內力分析
    （1）計算模型的確定
    由于結構跨度較大，縱向剛度較弱，取任何一榀計算均不具代表性。因此做內力分析時(shí)取完整的結構模型。做地震反應譜分析時(shí)，為得到合理的主振型，將鋼砼柱也一并建在模型中，見(jiàn)圖二。
    （2）荷載取值及荷載組合
    a.基本計算數據
    基本風(fēng)壓 0.30kN/m2
    （風(fēng)壓高度變化系數為1,風(fēng)振系數為1.1，體形系數為－2）
    基本雪壓 0.10kN/m2
    建筑所在地區的抗震設防烈度為 7度
    設計基本地震加速度值為0.10g
    設計地震分組為第一組
    場(chǎng)地土類(lèi)別為III類(lèi)
    b.屋面荷載
    恒載標準值 0.60 kN/m2（上下弦各0.30 kN/m2）
    主體結構自重由計算程序自動(dòng)計入
    活荷載標準值 0.50kN/m2
    c.荷載組合
    組合一：1.2x恒載＋1.4x1.0x活載
    組合二：1.0x恒載＋1.4x1.0x風(fēng)載
    組合三：1.2x恒載＋0.85x(1.4x活載＋1.4x風(fēng)載)
    組合四：1.2x恒載＋1.4x1.0x風(fēng)載＋1.4x0.7x活載＋1.3x0.2x地震荷載
    組合五：1.2x恒載＋1.4x0.5x活載＋1.3x地震荷載
    活荷載和雪荷載取大值計算，水平地震荷載和風(fēng)荷載組合時(shí)考慮與側向水平風(fēng)荷載同向組合。
    （3）結構的內力和變形計算
    計算采用阿依艾軟件有限公司的STAAD Pro軟件，抗震分析采用振型分解反應譜法，考慮8個(gè)模態(tài)，
    主桁架跨中豎向位移在恒載和活載組合下，考慮1/300的限值，懸臂端考慮1/180的限制值；30M高處桁架最大水平位移在風(fēng)載作用下考慮1/500的限值（按最長(cháng)柱考慮）。地震反應下的豎向位移限值為1/300，30M高處桁架最大水平位移限值為1/400。水平位移均考慮縱、橫兩方向。
    由于屋蓋結構獨立計算，其下部結構的剛度直接影響到結構內力分析結果，支座剛度的模擬就非常重要，實(shí)際分析過(guò)程中，每個(gè)支座的水平剛度均由計算得出。







    六．制作安裝安過(guò)程簡(jiǎn)述
    本鋼管桁架所有桿件端頭皆采用相貫線(xiàn)割管機精確切割成相貫線(xiàn)切口，支管壁厚大于等于6mm時(shí)切成坡口，支管壁厚小于等于6mm時(shí)未不切坡口，支管切割時(shí)還考慮主管為曲桿等因素對切割軌跡的影響，下料階段規定不得采用人工修補的方法修正切割完的支管。焊接節點(diǎn)間的桿件長(cháng)度考慮焊接收縮量，其值通過(guò)試驗確定。
    對鋼管相貫線(xiàn)焊縫要求如下：
    1.線(xiàn)焊縫，應沿全周連續焊接并平滑過(guò)渡。焊縫的質(zhì)量等級：全熔透焊縫為二級，角焊縫和部分熔透焊縫為三級。
    2.當多根支管同時(shí)交于一節點(diǎn)，且支管同時(shí)相貫時(shí)，支管按大管徑和壁厚優(yōu)先。
    支管與支管相貫處一律滿(mǎn)焊。
    3.管相貫時(shí)，支管端部的相貫線(xiàn)焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側面）、C（踵部）三個(gè)區域。
    4.當焊管壁厚≤6mm時(shí)，采用全周角焊縫。
    5.當焊管壁厚＞6mm時(shí)，所夾銳角θ≥75º時(shí)，采用全周帶坡口的全熔透焊縫。
    6.當焊管壁厚＞6mm時(shí)，所夾銳角θ＜75º時(shí)，A、B區采用帶坡口的全熔透焊縫，C區采用帶坡口的部分熔透焊縫（當夾角θ＜35º時(shí)可采用角焊縫），各區相接處坡口及焊縫應圓滑過(guò)渡。
    7.對全熔透和部分熔透焊縫，其有效焊縫高度he>1.15t,且he<1.25t（t為支管的壁厚）。對角焊縫，最小焊腳尺寸為1.5√ t(t為較厚焊件厚度)。
    8參見(jiàn)圖四。
    主桁架總長(cháng)約10m~63m不等，根據運輸及現場(chǎng)吊裝條件，工廠(chǎng)制作成約10m~20m/榀，然后現場(chǎng)采用加內襯管對焊拼接；次桁架長(cháng)度不超過(guò)8.4m，則全部加工成整構件，現場(chǎng)采用高強螺栓與主桁架連接。下面為安裝過(guò)程中拍攝的相片。




    七 結論
    通過(guò)次工程可以看出鋼管桁架結構具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    1.桁架節點(diǎn)形式簡(jiǎn)單，結構外形簡(jiǎn)潔、流暢，可適用于多種結構造型。
    2.剛度大，幾何特性好。鋼管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，則抗壓、抗扭新性能好。施工簡(jiǎn)單，節省材料。管桁架由于在節點(diǎn)處擯棄了傳統的連接件，而將各構件直接焊接，故有此優(yōu)點(diǎn)。
    3.利于防銹與清潔護理。節點(diǎn)處無(wú)難以清刷、油漆、積留濕氣及大量灰塵的死角和凹槽；構件在全長(cháng)和端部封閉后其內部不易生銹。
    但同時(shí)鋼管桁架結構也存在一些局限性：
    1.相貫節點(diǎn)加工放樣復雜，相貫線(xiàn)上的坡口是變化的，手工切割很難作到，故對機械加工要求很高。同時(shí)可能由于工藝精度及材料質(zhì)量（如管徑誤差或不夠圓）問(wèn)題導致相貫線(xiàn)不合要求。本工程由于采用的是平面桁架交叉桿體系，制作難度還相對簡(jiǎn)單，若是空間管桁架，則加工難度更高。管桁架結構均為焊接節點(diǎn)，要控制焊接收縮量，對焊接質(zhì)量要求較高。
    相信隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，管桁架結構會(huì )得到更為廣泛的應用。






    參 考 文 獻

    1. 董石麟等.空間結構.中國計劃出版社.20034.
    2. 陳紹蕃.鋼結構設計原理.科學(xué)出版社.1987,1998(第二版).

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