蕪湖藝術(shù)中心屋面鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310027)

1 工程概況

蕪湖藝術(shù)中心項(xiàng)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(dú)特，猶如長江邊上的貝殼(見圖1)，建筑面積14 558 m2，主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。平面尺寸為91．4 m×120．6 m，由于平面形式復(fù)雜，柱網(wǎng)尺寸較多，平面布置見圖2。

圖1 蕪湖藝術(shù)中心整體效果圖

圖2 蕪湖藝術(shù)中心一層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 屋面鋼結(jié)構(gòu)模型三維視圖

蕪湖藝術(shù)中心屋面鋼結(jié)構(gòu)采用單層鋼框架結(jié)構(gòu)，主要受力構(gòu)件截面采用焊接工字鋼。柱腳采用銷節(jié)點(diǎn)，上部支座節(jié)點(diǎn)采用板式橡膠支座，屋面鋼結(jié)構(gòu)布置詳見屋面模型三維視圖，見圖3。

2 屋面鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

2．1 計(jì)算參數(shù)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(jí)鋼，箍筋一級(jí)鋼。上部屋面鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱、鋼架梁等構(gòu)件采用鋼材材質(zhì)為Q345B，次梁、加勁肋、錨栓等構(gòu)件(除圖3中特殊說明外)采用鋼材材質(zhì)為Q235B。連接所采用高強(qiáng)螺栓性能等級(jí)為10．9級(jí)，安裝用普通螺栓為C級(jí)螺栓，性能等級(jí)為4．8級(jí)。地腳錨栓采用普通螺栓(配雙螺母)。

在整個(gè)屋面鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算中共考慮了以下五種荷載工況［1］:

1)結(jié)構(gòu)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(gòu)件自重由程序自動(dòng)計(jì)算)。2)結(jié)構(gòu)活載:活荷載按不上人屋面取0．30 kN/m2;根據(jù)規(guī)范基本雪壓為 0．60 kN/m2。3)風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓取 0．40 kN/m2。4)地震作用:擬建工程場地地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．05g，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，建筑的抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為丙類。5)溫度作用:結(jié)構(gòu)升溫(+25℃);結(jié)構(gòu)降溫(－25℃)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)，在計(jì)算過程中共考慮了22種荷載組合。

2．2 計(jì)算模型及邊界約束條件

在CAD中建立結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入MIDAS和SAP2000中進(jìn)行計(jì)算(限于篇幅僅列出MIDAS中的結(jié)果)。桿件采用梁單元、屋面采用殼單元(用于導(dǎo)荷)，采用MIDAS有限元軟件對(duì)計(jì)算模型計(jì)算分析，考慮各種荷載工況下的荷載效應(yīng)，然后按荷載效應(yīng)組合進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。計(jì)算模型如圖3所示。

計(jì)算模型中梁柱節(jié)點(diǎn)、次梁與鋼架相接節(jié)點(diǎn)(除次梁連接為鉸接外)均為剛接節(jié)點(diǎn)。模型的支座約束情況如下:大平臺(tái)處柱腳采用銷接節(jié)點(diǎn)，鋼柱柱腳采用剛接節(jié)點(diǎn)，其余支座均采用橡膠支座，以達(dá)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(nèi)［2］。

表1 控制點(diǎn)的位移和撓度

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)程序計(jì)算得到的支座豎向反力查詢滿足要求(同時(shí)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(jì)算模型中，計(jì)算支座的水平推力并和下部混凝土柱的極限承載力進(jìn)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(jì)算結(jié)果及分析

3．1 靜力結(jié)果

根據(jù)荷載規(guī)范的規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計(jì)均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，最大應(yīng)力比為0．70左右。

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出控制點(diǎn)1～3在各正常使用工況下最大撓度值不超過《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］中(［vT］=1/250，［vQ］=1/300)的要求。控制點(diǎn)4在各正常使用工況下最大撓度值不超過《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中(［vT］=1/400，［vQ］=1/500)的要求。計(jì)算結(jié)果可以看出控制點(diǎn)在風(fēng)荷載或地震作用等水平荷載下的最大位移值不超過《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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(nèi)即可。

圖4 屋面鋼結(jié)構(gòu)的振型

圖5 鋼架柱腳的銷節(jié)點(diǎn)

3．2 動(dòng)力特性

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性分析時(shí)，取結(jié)構(gòu)的前30個(gè)模態(tài)來計(jì)算分析，滿足規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量參與系數(shù)要求。關(guān)于周期的求解，程序按結(jié)構(gòu)力學(xué)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(jù)頻率與周期的倒數(shù)關(guān)系得到相應(yīng)的周期。由于篇幅所限，本文僅列其前6階自振周期，計(jì)算結(jié)果如表2所示，部分結(jié)構(gòu)的整體振型如圖4所示。

表2 結(jié)構(gòu)的整體自振周期

4 部分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程的每榀鋼架的柱腳節(jié)點(diǎn)采用銷接，構(gòu)造形式見圖5，銷節(jié)點(diǎn)既能滿足建筑造型美觀的要求，又達(dá)到了結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)及與計(jì)算鉸接假定相吻合的目的。

5 結(jié)語

1)空間鋼結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)空間整體計(jì)算和單榀鋼架計(jì)算相結(jié)合的方法，通過多個(gè)有限元軟件進(jìn)行分析、比較。

2)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件由于受力復(fù)雜及其在結(jié)構(gòu)中的重要性，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，保證節(jié)點(diǎn)的破壞后于構(gòu)件的破壞，且施工安裝方便。

3)鑒于屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往需要考慮室內(nèi)外溫差作用，溫度應(yīng)力不容小覷，一般采用橡膠支座進(jìn)行釋放，使結(jié)構(gòu)受力明確、設(shè)計(jì)安全可靠。

［1］GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)［S］．

［2］李星榮，魏才昂，丁峙崐，等．鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．第2版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005．

［3］湯榮廣，謝甫哲，丁 磊，等．鹽城機(jī)場候機(jī)樓改造工程鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵問題的研究［J］．空間結(jié)構(gòu)，2009，15(4):74-80．

［4］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．