鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：貴陽(yáng)漁安中天文化活動(dòng)中心位于貴陽(yáng)市漁安新城區，建成后將成為中天城投集團銷(xiāo)售中心和文化中心。本建筑地上主體部分由3個(gè)館組成，且均為鋼結構。其中1號館為鋼框架與鋼拉桿體系、2號館為鋼框架與鋼桁架支撐體系、3號館為純鋼框架體系; 1號館內部設一獨立云鋼結構為空間網(wǎng)架結構。該建筑結構體系極其復雜，在設計過(guò)程中采用了PKPM、ETABS等多種軟件進(jìn)行結構計算、分析、設計。本文主要介紹該文化活動(dòng)中心的鋼結構設計。
關(guān)鍵詞：文化活動(dòng)中心 鋼框架結構 空間鋼結構 ETABS
1 結構與體系
1.1 項目概況
貴陽(yáng)漁安中天文化活動(dòng)中心位于貴陽(yáng)市漁安新城區，整體長(cháng)約102m，寬約61m，高約21m，基底面積約5329 m2，地下2層總為車(chē)庫、設備、庫房，地下面積約為12600 m2，地上3層為活動(dòng)室、辦公、服務(wù)，地上面積約為8816m2。建成之后該建筑將成為中天城投集團銷(xiāo)售中心和文化活動(dòng)中心。
1.2 結構體系
本工程地下為鋼筋混凝土結構，地上為鋼結構，地上部分又分為3個(gè)獨立的小館，1#館長(cháng)約59m，寬約23m，共一層高約20m，外部為預應力拉索幕
墻結構，荷載較大，結構形式采用鋼框架加鋼拉桿結構體系，為了減少柱的計算長(cháng)度，在9.8m標高位置增設了一圈外框梁；3號館分三層，樓板采用鋼筋桁架樓承板，上人樓面，荷載大，建筑外形規則，結構傳力簡(jiǎn)單明確，采用圓鋼管柱加H型鋼梁鋼框架結構體系即滿(mǎn)足使用要求；2號館總體分三層，鋼筋桁架樓承板，荷載大。另建筑外形復雜，高低錯落，局部區域跨度大，樓面部分區域有覆土及大型機房，同樣采用鋼框架加鋼桁架結構體系；1#館內部云鋼結構，外形獨特，空間桿件錯綜復雜。云結構沿豎向分為9個(gè)平面，每個(gè)平面間距2m，水平向桿件都布置于每個(gè)平面中，而沿長(cháng)度方向分為若干個(gè)間距3.3m豎向立面，豎向桿件布置在各立面中，橫向及豎向各桿件交匯形成即空間網(wǎng)架結構。各館部分建筑平立面及結構相關(guān)圖詳圖1～圖11。
1.3 結構整體性能
根據各計算結果，三小館前三周期分別見(jiàn)表2～表4：
表1 1#館前三周期
從表1可以看出，1號館結構周期較長(cháng)，結構偏柔，原因是結構柱距大，沒(méi)有樓板，屋面及側面梁稀疏大部分通過(guò)拉桿來(lái)連接。
圖1 首層平面建筑圖（貴陽(yáng)漁安中天文化活動(dòng)中心）
圖2 二層平面建筑圖
圖3 1號館立面圖
圖4 1#館三維圖
圖5 2#館a-1軸立面圖
圖6 2#館a-2軸立面圖
圖7 2#館三維圖（貴陽(yáng)漁安中天文化活動(dòng)中心）
圖8 云結構三維圖
圖9 云結構俯視圖
圖10 3號館二層平面圖（貴陽(yáng)漁安中天文化活動(dòng)中心）
圖11 3號館屋面平面圖
表2 2號館前三周期
表3 3#館前三周期
2號館，3號館各三層，且層高相當，從表2，表3中看出，2號館周期明顯比3#館的要長(cháng)，原因是2#結構跨度大，內部有高低錯層，剛度較弱，結構荷載大。
結構在X、Y方向地震作用下的基底總反力如表4：
表4 地震作用下基底反力表（kN）
1號館基底反力偏小主要是因為結構沒(méi)有樓板，結構總質(zhì)量少。
各館在地震力作用下最大位移見(jiàn)表5。
表5 地震作用下最大位移（mm）
從表5可以看出，3號館整體剛度較大，位移較小，2號館位移較大，剛度較柔。以上位移均遠少于1/350。
2 構件設計與構造
2.1 構件設計
根據三個(gè)獨立的小館的結構形式采用不同的設計軟件對其進(jìn)行計算分析。1號館結構規則，樓層簡(jiǎn)單，建筑要求應用鋼拉桿，運用ETABS建?？蓾M(mǎn)足結構計算要求；2號館外形多變，空間關(guān)系復雜，結構形式也用了鋼拉桿，分析時(shí)也采用ETABS進(jìn)行結構計算；3號館結構樓層清晰，且梁柱形式簡(jiǎn)單，故用PKPM做結構分析設計；1號館內部云結構形狀極為不規則，且復雜多變，是一個(gè)純空間結構，因此采用SAP2000進(jìn)行結構計算。
鋼構件設計是鋼結構設計中最為重要的一環(huán)，構件截面大小將決定結構的安全性及舒適性，而截面的形狀不僅影響建筑立面效果，更關(guān)系到鋼結構加工制作與安裝，進(jìn)而影響工程的施工進(jìn)度。
1號館中所有柱均采用矩形鋼柱B600×600×24×24內部灌C50級混凝土，柱鋼材為Q235B，屋面鋼框梁截面為B900×600×20×30，9.8m標高位置鋼框梁截面為B600×600×16×16，拉桿Ф50實(shí)心鋼拉桿，鋼梁及鋼拉桿材質(zhì)均為Q345B；2#館構件截面較多，柱截面為Ф800×30、Ф600×20圓鋼管柱，其內部均灌C50級混凝土，梁截面均為H型鋼梁；3號館柱Ф800×30，梁為H型鋼；1號館內部云結構縱向構件截面為Ф350×16，橫向構件截面為Ф350×8，底座環(huán)形鋼梁為H600×600×12×16，材質(zhì)均為Q235B。該工程主要構件截面詳見(jiàn)表6:
表6 構件截面表
本項目為文化活動(dòng)中心，人流密集，結構跨度大；局部區域還有大型機房及覆土，結構荷載大；大面積幕墻結構，預應力拉索荷載大。人員活動(dòng)時(shí)結構會(huì )產(chǎn)生豎向振動(dòng)，為了避免結構產(chǎn)生共振，減少人行不安全舒適感，結構上部豎向自振頻率不應小于3Hz。因此本結構計算并不是由結構擾度控制，而是由結構舒適度控制。結構豎向自振頻率由式2.1確定：
2.1
從式2.1中可以看出結構自振頻率與結構總剛度的平方根成正比，與結構總質(zhì)量平方根成反比，要提高結構的豎向自振頻率，則增強結構自身剛度。
經(jīng)計算分析2#館與3#館樓板的豎向自振頻率分別為3.125 Hz和3.45Hz，均大于3.0Hz，滿(mǎn)足要求。
2.1 節點(diǎn)及構造
鋼結構節點(diǎn)設計在鋼結構設計中占據著(zhù)舉足輕重的作用，節點(diǎn)設計的好壞直接影響到鋼構件搭接的可靠性和整個(gè)結構的安全性。規范也明確規定：強節點(diǎn)弱構件，正是通過(guò)一個(gè)個(gè)強節點(diǎn)才把松散的鋼構件連接成一個(gè)整體，形成結構總剛度。鋼結構工程中節點(diǎn)一般分為柱腳節點(diǎn)，梁柱節點(diǎn)，支撐節點(diǎn)，梁梁節點(diǎn)及拉桿節點(diǎn)等。
柱腳節點(diǎn)是連接上部鋼結構與下部其它結構的橋梁，關(guān)系到上部鋼結構的整體穩定與安全。本工程中主體鋼結構柱腳節點(diǎn)主要采用埋入式柱腳：環(huán)形柱底板與柱采用坡口焊焊接，底板通過(guò)錨栓與下部混凝土或基礎連接，柱壁打栓釘使鋼柱與外部混凝土咬合，這種節點(diǎn)形式簡(jiǎn)單，傳力明確，加工制作方便，安裝容易，詳如圖12：
圖12 埋入式柱腳
梁柱節點(diǎn)是保證橫向構件梁上荷載順利傳遞到豎向構件柱的一種連接形式。本項目梁柱節點(diǎn)均采用內隔板式梁柱連接：內隔板開(kāi)灌漿孔及通氣孔，兩隔板之間加豎向加勁板與柱內壁全熔透焊接，當兩邊梁不等高時(shí)，矮梁采用加腋處理，如圖13：
圖13 內隔板式梁柱連接
該工程梁和桁架支撐都采用H型鋼，容易加工制作，節點(diǎn)連接簡(jiǎn)單，支撐節點(diǎn)在節點(diǎn)域將支撐進(jìn)行放大處理并在梁柱位置加設與支撐翼緣等厚的加勁板。梁梁連接分梁梁剛接和梁梁鉸接，其中鉸接只用螺栓連接次梁的腹板，次梁翼緣板不與主梁焊接。如圖14，15：
為滿(mǎn)足建筑的立面和幕墻要求，在1號的側面及屋面都設計有Ф50鋼拉桿，其節點(diǎn)形式主要是通過(guò)50厚鋼板來(lái)連接鋼拉桿與主結構，連接板上打孔連接拉桿，這種連接方式簡(jiǎn)單可靠，施工方便，詳見(jiàn)圖16,17。
3 結 論
本項目鋼結構整體分為三個(gè)小館，依據各小館的建筑特點(diǎn)及幕墻要求采用不同的結構體系，并通過(guò)不同的結構軟件對其進(jìn)行分析與計算，在保證結構安全可靠的前提下，滿(mǎn)足結構的舒適度要求。在結構設計過(guò)程中通過(guò)對鋼構件截面的選取，來(lái)實(shí)現鋼結構加工與制作及安裝的便利，從來(lái)節省工期和造價(jià)，這是本項目的最大特點(diǎn)。
參考文獻
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