濟(jì)南某商場(chǎng)“樽”形門廳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
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耿慶和1 董磊磊1 陳景山1 張 波1 張 勁1 王 濤2 單洪翥2
（1．山東省建筑設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南250001；2．山東大學(xué)，濟(jì)南250061）
摘要：濟(jì)南某商場(chǎng)“樽”形鋼結(jié)構(gòu)門廳，設(shè)計(jì)獨(dú)特新穎，形似“酒樽”狀。介紹了工程概況、結(jié)構(gòu)體系及計(jì)算分析結(jié)果等，重點(diǎn)突出了內(nèi)部花瓣?duì)钪涡问郊?#8220;酒樽”狀的整體造型。該結(jié)構(gòu)受力合理，經(jīng)3D3S V10.0結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)性能滿足要求。
關(guān)鍵詞：“樽”形鋼結(jié)構(gòu)門廳；花瓣形支撐；結(jié)構(gòu)計(jì)算分析 DOI:10. 13206/j.gjg201603016
1 工程概況
本工程為濟(jì)南市政配套工程項(xiàng)目某商業(yè)樓的門廳部分——“樽”形鋼結(jié)構(gòu)工程，其底部?jī)?nèi)收、上部外挑，在外圍藍(lán)色幕墻的襯托下形似“酒樽”狀，如圖1所示，建筑橫剖面如圖2所示，南立面如圖3所示。由下到上構(gòu)件連接處折角過(guò)渡平緩，結(jié)構(gòu)受力合理。商業(yè)樓整體造型氣勢(shì)恢宏，門廳單體卻又靈動(dòng)輕盈，將動(dòng)靜美學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，為商業(yè)樓增添了魅力。
“樽”形鋼結(jié)構(gòu)門廳由4個(gè)花瓣形支撐體系和外圍玻璃幕墻構(gòu)成，頂部屋蓋為管桁架體系，上鋪玻璃幕墻。外側(cè)支座直接支承在下部基礎(chǔ)，內(nèi)側(cè)支座支承在主體結(jié)構(gòu)屋面梁上，頂部結(jié)構(gòu)雙向跨度均為27.6 m。整體結(jié)構(gòu)及花瓣形支撐體系如圖4所示。“花瓣”支撐體系自底標(biāo)高至12. 600 m處由8根ɸ325×14直縫高頻焊鋼管彼此通長(zhǎng)焊接而成，中間每隔2m焊接20 mm厚水平隔板而形成鋼柱骨架；標(biāo)高12. 600 m處至頂標(biāo)高24. 850 m處由8根鋼管分別由內(nèi)而外發(fā)散開來(lái)，沿高度每隔1m環(huán)繞豎管一周焊接200 mm×300 mm×12 mm×12 mm焊接矩形鋼管作為環(huán)梁，形成如花瓣綻放的動(dòng)態(tài)造型。頂部管桁架體系（圖5）高度為1.9 m，結(jié)構(gòu)外圍均勻掛設(shè)玻璃幕墻。該門廳頂部管桁架體系與下部“花瓣”形支撐體系交相組合，與外部所鋪幕墻結(jié)合組成造型獨(dú)特美觀的“酒樽”之狀。本項(xiàng)目中所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)均采用Q345B。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級(jí)及設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級(jí)
該工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙級(jí)（重點(diǎn)設(shè)防），結(jié)構(gòu)防火等級(jí)為一級(jí)。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載
該工程屋面采光頂?shù)暮爿d為2.0 k N/m2，屋面吊掛荷載為1.0 k N/m2，幕墻恒載為1.5 k N/m2，鋼結(jié)構(gòu)自重由軟件計(jì)算確定；屋面活載為0.5 k N／m2（不上人），屋面下弦活載為2.0 k N／m2；基本風(fēng)壓為0.5 k N／m2：基本雪壓為0. 35 k N／m2；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3組，場(chǎng)地分類為Ⅲ類。
3抗震計(jì)算分析
3.1 計(jì)算分析
3.1.1計(jì)算模型
本工程中主體結(jié)構(gòu)剛度較大，“樽結(jié)構(gòu)”較柔，是典型的剛中帶柔的結(jié)構(gòu)形式。本工程采用同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)軟件3D3S Vl0.0進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。計(jì)算時(shí)分兩種模型進(jìn)行比較，均采用振型分解法：1）單獨(dú)計(jì)算模型，柱腳按固結(jié)端計(jì)算，如圖6所示；2）整體計(jì)算模型，如圖7所示。整體模型是將“樽”結(jié)構(gòu)組合到主體結(jié)構(gòu)中，“樽”的柱腳固接到主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的框架柱頂，與主體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。
因?yàn)橹黧w結(jié)構(gòu)剛度比“樽”結(jié)構(gòu)剛度大很多，故在單獨(dú)模型中假定鋼束柱柱底為剛接。以圖8所示3個(gè)振型為例，其對(duì)應(yīng)振型在兩個(gè)模型中的周期如表1所示。通過(guò)對(duì)比，兩個(gè)模型的周期接近。
3.1.2 內(nèi)力及變形對(duì)比
以圖9標(biāo)出的桿件和節(jié)點(diǎn)為例，對(duì)比地震工況下兩個(gè)模型計(jì)算的內(nèi)力和變形。
表2列出了各桿件在地震作用下的內(nèi)力，桿1、桿2的內(nèi)力均為柱底內(nèi)力，表3列出了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在地震作用下的變形。
對(duì)比表2和表3數(shù)據(jù)，兩種模型計(jì)算得出的桿件內(nèi)力及變形差別很大。兩種計(jì)算模型下，桿件的內(nèi)力絕對(duì)值之比約為3（桿件內(nèi)力的正負(fù)是由于支座B在整體模型中有位移造成的），節(jié)點(diǎn)的位移之比亦約為3；故柔性結(jié)構(gòu)放在剛性結(jié)構(gòu)上，地震作用放大3倍是合理的。類似剛中帶柔的結(jié)構(gòu)在計(jì)算時(shí)必須進(jìn)行整體計(jì)算，考慮整體結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)間的相互影響，以免造成安全隱患。
經(jīng)整體計(jì)算，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的最大應(yīng)力比在0.6~0.8，滿足強(qiáng)度要求。
3.2穩(wěn)定性分析
該“樽”形門廳下部支撐體系造型似綻放的“花瓣”之狀，構(gòu)造形式特殊新穎。該支撐體系下部“花莖”束柱由8根鋼管焊接而成，隨著“花莖”高度的增加，該束柱逐漸發(fā)散出“花瓣”造型，如圖10所示。“花瓣”處束柱的幾何高度為10.2 m，通過(guò)設(shè)置橫向約束，將束柱分成9段，以減小束柱的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，防止發(fā)生平面外的整體失穩(wěn)。
通常情況下，為方便計(jì)算，設(shè)計(jì)人員易將束柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值為1，但實(shí)際則不然，計(jì)算長(zhǎng)度的取值大小關(guān)系著結(jié)構(gòu)造價(jià)和安全性兩方面，在不確定的情況下需通過(guò)計(jì)算確定。采用公式(1)反推計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ：
式中：P e r為臨界壓力；E為材料的彈性模型；I為截面慣性矩；L為桿件的幾何長(zhǎng)度；μ為計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。
束柱分兩部分計(jì)算穩(wěn)定：束柱曲線段的分支穩(wěn)定及束柱的整體穩(wěn)定。
3. 2.1 束柱曲線段的穩(wěn)定
采用同濟(jì)大學(xué)軟件3D3S V10.0進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果如表4所示。
9段束柱中的最大計(jì)算長(zhǎng)度為7.9 m，束柱的幾何總長(zhǎng)度為10.2 m，束柱整個(gè)曲線段的計(jì)算長(zhǎng)度數(shù)為7. 9/10.2=0.77。將束柱曲線段計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取為0. 77重新計(jì)算，經(jīng)計(jì)算構(gòu)件滿足要求。
3.3.2束柱直線段的穩(wěn)定
束柱直線段的計(jì)算結(jié)果如表5所示。
將束柱直線段計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取為0. 88重新計(jì)算，經(jīng)計(jì)算構(gòu)件滿足要求。
4節(jié)點(diǎn)分析
利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，采用雙線性模型。節(jié)點(diǎn)為束柱曲線段與頂部桁架交接處相貫節(jié)點(diǎn)。
設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)區(qū)域處于彈性階段，最大應(yīng)力約為167 M Pa，滿足設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié) 論
1)此工程屬于典型的剛中帶柔結(jié)構(gòu)，通常情況下設(shè)計(jì)人員偏向于鋼結(jié)構(gòu)部分和混凝土部分分開計(jì)算，然后將鋼結(jié)構(gòu)部分的支座反力施加在混凝土支承構(gòu)件上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；此種方法在靜力荷載作用下設(shè)計(jì)誤差較��；但在地震作用下，設(shè)計(jì)誤差較大，易造成工程安全隱患，故此種結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須進(jìn)行整體計(jì)算。
2)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全和造價(jià)，在沒(méi)有明確取值的情況下，需通過(guò)計(jì)算確定構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)切不可盲目取值。
3)相貫節(jié)點(diǎn)處桿件多、受力復(fù)雜，故設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)此處進(jìn)行應(yīng)力分析，以確定受力最大處，并進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。
