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    贵阳市城乡规划展览馆结构设计
    来源:建筑钢结构网  作者:龚沁华 李开伦 郑 竹  时间:2013-11-25   关键词:贵阳市城乡规划展览馆  

    摘要:贵阳市城乡规划展览馆是一栋荷载较大、跨度较大、带有较大悬挑的公共建筑。结构采用了以框架剪力墙为主要抗侧力体系,以大跨度悬挂钢结构为主要楼盖承重体系的结构形式。其中,剪力墙为四组型钢混凝

      要:贵阳市城乡规划展览馆是一栋荷载较大、跨度较大、带有较大悬挑的公共建筑。结构采用了以框架剪力墙为主要抗侧力体系,以大跨度悬挂钢结构为主要楼盖承重体系的结构形式。其中,剪力墙为四组型钢混凝土筒体组成,框架柱主要由方钢管混凝土叠合柱组成,屋盖为高近六米的桁架组成,屋盖桁架同时在建筑物东侧、北侧悬挑16m,通过下挂钢斜撑、下挂钢柱吊挂以下各楼层,结构形式新颖。本文主要从工程概况、结构整体计算、构件设计三方面简要介绍了该工程的设计过程及设计思路。

    关键词:贵阳城乡规划展览馆 大跨悬挂钢结构 钢管混凝土叠合柱

    1.    工程概况

    贵阳市城乡规划展览馆整体为长约112m,宽约70 m,高约34m,地上四层(二层上方有局部夹层),地下一层的长方体建筑。图1是整栋建筑的效果图,图2~图6为建筑一层平面及四个剖面图。从平面上看,二层(标高5.700)楼面、三层(标高13.700)楼面以及大屋面(标高32.200)楼板基本完整,二层夹层(标高9.700)、四层(标高13.700)楼面以及屋面桁架下弦平面(标高25.200)仅局部有楼板。从剖面上看,建筑为了解决采光、人流组织等问题,采用了楼板跌落及悬挑建筑空间的做法不仅使楼板标高变化较多,而且整个建筑的东边及北边从三层起至屋面的部分均向外悬挑了两跨16m。从使用功能看,做为展览馆,需要较大空间,故层高及跨度较大。屋面最大跨度60mX48m,楼面最大跨度40m×24m。另外屋面、室外花园的覆土要求(土厚500mm)以及展览馆的布展要求(活荷载10kPa)也使整个结构的荷载很大?;旧洗蠛稍?、大跨度、楼板错落标高复杂是本建筑的特点。

     

    全楼效果图

    根据建筑布置,结构选用了以框架剪力墙为主要抗侧力体系,以大跨度悬挂钢结构为主要楼盖承重体系的结构形式。

    首先是在建筑四角利用竖向交通、竖向管井的位置构建四个混凝土筒体。因为屋盖两个方向尺度差异不大,所以采用了正交正方四周支撑的双向桁架结构。桁架失高5.750m,桁架支于混凝土筒体及周边柱上,并在建筑东边及北边的悬挑位置外伸,然后向下悬挂构件形成3层及四层的楼面。由于三层悬挑位置使用功能为展厅及室外花园,加之屋面荷载,总荷载较大,悬挑部位桁架失高仍为5.750m,则构件内力过大。我们利用三层及四层的层高,在混凝土筒体相连的悬挑位置构建了失高更高的桁架。由于悬挑桁架下弦受压为主,所以选择了有完整楼板的三层做为悬挑桁架的下弦层,避免桁架下弦构件为稳定控制[1]。为了加强结构的整体性,使荷载更加均匀的传递至基础,我们又在不影响建筑使用的地方增加了一些斜杆。图7、图8分别为C轴、11轴的结构布置立面图,图9为结构空间布置示意图。

     

    首层建筑平面图

     

    3  1-1建筑剖面

     

    4  2-2建筑剖面

     

    5  3-3建筑剖面

     

    6  4-4建筑剖面

     

    7  C轴结构立面布置图

     

    8  11轴结构立面布置图

     

    结构空间布置示意图

     

    2.    整体计算

    建筑结构安全等级为二级,使用年限50年,结构重要性系数1.0,抗震设防类别为乙类[2],场地类别为Ⅱ类。工程建筑场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,水平地震影响系数最大值为0.04,反应谱特征周期为0.35s,阻尼比取0.04,未考虑竖向地震作用[3]。当地50年一遇的基本风压为0.3kPa,地面粗糙类别为B类。50年一遇的基本雪压为0.20kPa[4]。结构的整体性计算采用了MidasPKPM两个软件。表1至表4为两个软件整体分析的计算指标对比。


    1  MIDAS/GEN、PKPM整体计算周期


    2  MIDAS/GEN、PKPM整体计算层刚度比


    3  PKPM整体计算本层与上一层的承载力之比


    4  MIDAS/GEN、PKPM整体计算层间位移


    在各项指标中看到,除楼层承载力比不满足规范要求外,其余各项指标均满足规范要求,且两个软件计算结果较为接近。但本工程结构体系与一般形式的结构体系不同。上部桁架的刚度很大,桁架含有较多斜杆,影响了抗剪承载力的计算。但实际上所有剪力基本上均是传至四个混凝土筒体,然后在向下传递的,而混凝土筒体基本上各层变化不大,故抗剪承载力各层变化应该不大。

    3.    构件设计

    对于钢结构的具体杆件的内力及变形分析,我们采用了Midas3D3S两个软件。在3D3S中,构成混凝土筒体的剪力墙的模拟是采用了桁架来模拟的。由于桁架的竖向刚度和水平刚度均与剪力墙刚度有差异,该差异会引起内力计算的差异??悸堑奖竟こ桃允蚝稍匚饕稍?,地震力及风力较小,且屋盖整体为空间结构,做为支座的混凝土筒体及柱的竖向变形会引起屋盖内力分配的较大变化,我们在模拟混凝土筒体时,尽量使模拟混凝土筒体的桁架的四角竖向变形与Midas计算的混凝土筒体四角竖向变形一致为原则来确定模拟混凝土筒体的桁架的杆件。但由于模拟混凝土筒体的桁架水平刚度仍小于剪力墙,在悬挑处,做为悬挑钢结构支座的核芯筒的整体变形仍会对悬挑钢结构的位移和内力计算造成一定影响。表5为两个软件计算的混凝土筒体角点位移。表6、表7为两个软件在整个建筑悬挑的典型位置(建筑的右下角,双向悬挑16m的位置)的内力及位移计算结果的对比。从计算结果上看,3d3s计算的挠度和内力均较MIDAS/GEN计算结果大,挠度差异达40%,内力差异在10%以内。挠度差异较大的原因主要是混凝土筒体水平位移及转角位移经悬挑杆件放大造成的,内力计算结果差异则在可接受的范围。按照MIDAS/GEN的计算结果,钢结构的变形均满足规范要求。

    5  MIDAS/GEN、3d3s在恒荷载作用下核芯筒角点位移


    6  MIDAS/GEN、3d3s 计算的在恒荷载作用下悬挑位置位移


    7  MIDAS/GEN、3D3S在恒荷载作用下悬挑桁架内力


    混凝土筒体刚度的不同还影响了温度作用。由于混凝土筒体的约束,结构在温升及温降时会产生较大的轴向力,特别是在混凝土筒体之间的构件。3D3S模型中,由于混凝土筒体水平刚度较小,计算出的构件温度内力较小。

    为了简化节点设计,在构件截面选型时尽可能的选用了工字型截面,但在受力较大的位置,还是不可避免的使用了一些焊接箱型截面构件。这些箱型构件汇交处也是结构受力较大且构件汇交数量较多的位置。这些位置的节点使用了铸钢节点。为了考虑铸钢节点对于整体杆件计算的影响,我们按照铸钢件大小,将铸钢件简化为刚域进行了整体模拟。计算表明由于铸钢件的影响,变形有所减少,但内力会向有刚域的桁架集中,轴力变化不明显,但弯矩增加较大。表8、表9分别为MIDAS/GEN计算的有刚域和无刚域时,位移和内力的计算结果。表中无刚域的强轴弯矩为杆件端部的弯矩,如对比刚域端部的弯矩,则更明显的看到刚域使得杆件弯矩增加较多。

    8  MIDAS/GEN计算的在恒荷载作用下悬挑位置位移


    9  MIDAS/GEN计算的在恒荷载作用下悬挑桁架内力


      由于建筑在使用中,楼板可做为受压构件的侧向支撑,故在设计中,未考虑构件的侧向稳定。而在施工中,楼板是分片施工的,未施工楼板的部分在施工荷载作用下,受压构件存在侧向稳定问题。由于本建筑的屋面覆土荷载及展览馆的活荷载较大,这些荷载都是在结构体系完成后加载的,而楼板自重所占比例较小,故施工顺序对结构的安全性影响不大。我们也使用Midas对加载情况进行了模拟,计算结果也表明结构安全。

    4.   

    贵阳市城乡规划展览馆的结构形式还是较为新颖的。我们使用多种软件并考虑多种情况对结构进行了分析,从计算结果上看,该结构是具有足够的安全性能的。 

    参考文献

    [1] 钢结构设计规范(GB 50017-2003) [S].北京:中国计划出版社,2003

    [2] 建筑工程抗震设防分类标准(GB 50223-2008) [S].北京:中国建筑工业出版社,2008

    [3] 建筑抗震设计规范(GB 50011-2010) [S].北京:中国建筑工业出版社,2010

    [4] 建筑结构荷载规范2006年版(GB 50009-2001) [S].北京:中国建筑工业出版社,2002

     (深圳市博艺建筑工程设计有限公司 深圳 518053

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