蕪湖藝術中心屋面鋼結構分析與設計

(浙江大學建筑設計研究院，浙江杭州 310027)

1 工程概況

蕪湖藝術中心項目位于安徽省蕪湖市世茂濱江花園多功能城市綜合體的中心位置，造型新穎獨特，猶如長江邊上的貝殼(見圖1)，建筑面積14 558 m2，主體結構為混凝土框架結構，地上4層，地下1層，建筑高度21．500 m。一層均為大面積超長混凝土結構。平面尺寸為91．4 m×120．6 m，由于平面形式復雜，柱網尺寸較多，平面布置見圖2。

圖1 蕪湖藝術中心整體效果圖

圖2 蕪湖藝術中心一層結構平面布置圖

圖3 屋面鋼結構模型三維視圖

蕪湖藝術中心屋面鋼結構采用單層鋼框架結構，主要受力構件截面采用焊接工字鋼。柱腳采用銷節點，上部支座節點采用板式橡膠支座，屋面鋼結構布置詳見屋面模型三維視圖，見圖3。

2 屋面鋼結構計算

2．1 計算參數及荷載的取值

本工程下部混凝土框架采用C30混凝土，主筋三級鋼，箍筋一級鋼。上部屋面鋼結構的鋼柱、鋼架梁等構件采用鋼材材質為Q345B，次梁、加勁肋、錨栓等構件(除圖3中特殊說明外)采用鋼材材質為Q235B。連接所采用高強螺栓性能等級為10．9級，安裝用普通螺栓為C級螺栓，性能等級為4．8級。地腳錨栓采用普通螺栓(配雙螺母)。

在整個屋面鋼結構計算中共考慮了以下五種荷載工況［1］:

1)結構恒載:金屬屋面自重 0．30 kN/m2，采光頂自重0．60 kN/m2，屋面吊掛荷載0．20 kN/m2(構件自重由程序自動計算)。2)結構活載:活荷載按不上人屋面取0．30 kN/m2;根據規范基本雪壓為 0．60 kN/m2。3)風荷載:基本風壓取 0．40 kN/m2。4)地震作用:擬建工程場地地震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0．05g，建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第1組，建筑的抗震設防分類標準為丙類。5)溫度作用:結構升溫(+25℃);結構降溫(－25℃)。

根據結構的承載力極限狀態與正常使用極限狀態，在計算過程中共考慮了22種荷載組合。

2．2 計算模型及邊界約束條件

在CAD中建立結構的三維模型，導入MIDAS和SAP2000中進行計算(限于篇幅僅列出MIDAS中的結果)。桿件采用梁單元、屋面采用殼單元(用于導荷)，采用MIDAS有限元軟件對計算模型計算分析，考慮各種荷載工況下的荷載效應，然后按荷載效應組合進行內力計算。計算模型如圖3所示。

計算模型中梁柱節點、次梁與鋼架相接節點(除次梁連接為鉸接外)均為剛接節點。模型的支座約束情況如下:大平臺處柱腳采用銷接節點，鋼柱柱腳采用剛接節點，其余支座均采用橡膠支座，以達到既能控制支座滑移量，又能保證支座的水平力在下部混凝土柱的可承受范圍內［2］。

表1 控制點的位移和撓度

設計時，根據程序計算得到的支座豎向反力查詢滿足要求(同時滿足豎向承載力和橡膠支座底板截面小于框架柱截面的要求)的板式橡膠支座;將初選的支座剛度代入計算模型中，計算支座的水平推力并和下部混凝土柱的極限承載力進行比較，如果水平推力大于柱的極限承載力，則重選支座，直到滿足柱的承載力有一定的富余［3］。

3 計算結果及分析

3．1 靜力結果

根據荷載規范的規定，對結構進行承載力極限狀態設計和正常使用極限狀態設計，計算結果表明:結構的承載力設計均滿足規范設計要求，最大應力比為0．70左右。

從表1計算結果可以看出控制點1～3在各正常使用工況下最大撓度值不超過《鋼結構設計規范》［4］中(［vT］=1/250，［vQ］=1/300)的要求?？刂泣c4在各正常使用工況下最大撓度值不超過《鋼結構設計規范》中(［vT］=1/400，［vQ］=1/500)的要求。計算結果可以看出控制點在風荷載或地震作用等水平荷載下的最大位移值不超過《鋼結構設計規范》中(層高的1/500)的要求。且橡膠支座的水平位移量控制在30 mm以內即可。

圖4 屋面鋼結構的振型

圖5 鋼架柱腳的銷節點

3．2 動力特性

在進行結構的整體動力特性分析時，取結構的前30個模態來計算分析，滿足規范規定的質量參與系數要求。關于周期的求解，程序按結構力學剛度法為滿足振幅方程(［K］－ω2［M］){Z}=0有非零解，求解特征方程︱［K］－ω2［M］︱=0，再根據頻率與周期的倒數關系得到相應的周期。由于篇幅所限，本文僅列其前6階自振周期，計算結果如表2所示，部分結構的整體振型如圖4所示。

表2 結構的整體自振周期

4 部分節點設計

本工程的每榀鋼架的柱腳節點采用銷接，構造形式見圖5，銷節點既能滿足建筑造型美觀的要求，又達到了結構合理、經濟及與計算鉸接假定相吻合的目的。

5 結語

1)空間鋼結構往往比較復雜，應采用結構空間整體計算和單榀鋼架計算相結合的方法，通過多個有限元軟件進行分析、比較。

2)關鍵節點和構件由于受力復雜及其在結構中的重要性，應單獨進行計算和設計，保證節點的破壞后于構件的破壞，且施工安裝方便。

3)鑒于屋面鋼結構設計往往需要考慮室內外溫差作用，溫度應力不容小覷，一般采用橡膠支座進行釋放，使結構受力明確、設計安全可靠。

［1］GB 50009-2001，建筑結構荷載規范(2006年版)［S］．

［2］李星榮，魏才昂，丁峙崐，等．鋼結構連接節點設計手冊［M］．第2版．北京:中國建筑工業出版社，2005．

［3］湯榮廣，謝甫哲，丁 磊，等．鹽城機場候機樓改造工程鋼屋蓋結構設計及其關鍵問題的研究［J］．空間結構，2009，15(4):74-80．

［4］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］．