超高超寬異型鋼管雕塑的結構設計及性能分析

劉 歡 李布輝 張大長

(1.南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210009;2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著城市人口對環(huán)境要求的日益提高，一部分灘涂沼澤被開發(fā)成沿江風光帶，建筑雕塑給這些地區(qū)帶來了別樣的風光。隨著人們審美眼光不斷地提高，一些造型獨特、高度較高的建筑雕塑正逐漸地出現(xiàn)在人們的視野中。但沿江風光帶的風速較快、風力較大，風力作用對這些異型雕塑的正常工作影響較大。而鋼結構雕塑具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低等特點，且往往比較高大，結構頂端處于風速較大區(qū)域，對風荷載十分敏感，所以風荷載是此類結構設計的主要控制荷載[1]。

目前，鋼結構雕塑多采用鋼管構件，鋼管構件具有很多優(yōu)點:管壁較薄，截面回轉半徑較大，故抗壓和抗扭性能較好;在截面積相同的型鋼中，鋼管外邊面積最小，加之鋼管往往兩端封閉，內(nèi)部不易生銹，維護比較方便;鋼管截面的流體特性比較好，承受風力作用時，荷載對鋼管結構的作用效應比其他截面形式結構的效應低得多;鋼管加工便利且技術比較成熟[2]。鑒于鋼管構件的優(yōu)點及相關工程應用實例，本文所研究的某異型鋼結構雕塑主要承力構件擬采用鋼管進行設計。

本文研究分析某超高超寬異型鋼管結構雕塑，其主管均為流線型圓鋼管，從地面旋轉至頂端。主管上每隔0.3 m處均有一矩形水平鋼板。該地區(qū)基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度A類，抗震設防烈度為9度。由于鋼板間距較小，迎風面積較大，體型復雜多變，風荷載系數(shù)根據(jù)我國《建筑結構荷載設計規(guī)范》[3]中塔架結構規(guī)定取值。本文進行結構受力性能分析，為類似結構設計提供參考。

1 工程概況

1.1 結構形式

如圖1所示，該異型鋼結構雕塑群由3座高度不同、結構形態(tài)相似的雕塑組成，高度分別為21.8 m，17.6 m 及 14.7 m，屬于超高結構。每個雕塑均由兩個主管支撐，兩主管以其間距的中點為軸線進行繞軸旋轉至頂端，因此，主管均為流線型圓鋼管。從地面至雕塑頂端每隔0.3 m設置有一矩形鋼板，鋼板厚度為0.1 m，寬度均為1.1 m，長度應根據(jù)兩主管的間距而發(fā)生變化，其中雕塑中部鋼板最長，達到9.3 m。主管采用Q345無縫圓鋼管，鋼板骨架為Q235方鋼管和加強板焊接而成，外包不銹鋼板，如圖2所示。

1.2 荷載工況及組合

該超高超寬鋼管異型雕塑的要求較高，結構安全等級為二級，結構設計基準期為50年，結構重要性系數(shù)為:r0=1.0，結構抗震設防類別為乙類。

鋼板恒載為1.0 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2。風荷載設計時，基本風壓為0.4 kN/m2，沿江風光帶屬A類地面粗糙程度，結構體型系數(shù)按《荷載規(guī)范》中的塔架結構選取，迎風面積按雕塑立面的外輪廓線確定。將每座雕塑在高度范圍內(nèi)劃分為4段～5段，根據(jù)我國《荷載規(guī)范》的風荷載的計算方法得到每段范圍內(nèi)結構所受到的風荷載如表1所示，將風荷載以線荷載方式施加到主管上。

表1 風荷載設計值

該地區(qū)抗震設防烈度為9度，設計基本地面加速度為0.4g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，本工程屬于異型結構，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[4]規(guī)定應同時考慮豎向地震和水平地震作用。

根據(jù)工程結構的承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，該結構的主要荷載工況如表2所示。

表2 荷載組合

2 結構分析及強度驗算

2.1 結構建模

采用SAP2000程序，建立整體模型如圖3所示。分析模型中，主管和鋼板框架采用梁單元模擬。利用膜單元施加鋼板面荷載，并將該膜單元的質(zhì)量、重度和剛度定義為0[5]，鋼管底部采用剛接約束。

2.2 結構動力特性

經(jīng)結構動力特性分析，該結構主要動力特性如圖4所示，可知該結構前第四階振型分別為扭振、扭振、彎曲振動、彎曲振動。

2.3 結構內(nèi)力分析

建立結構分析模型，定義組合及分析工況，然后進行內(nèi)力計算，分析中進行交互式鋼結構設計。經(jīng)多次反復分析得到根部主管的內(nèi)力如表3所示，根據(jù)內(nèi)力設計主管規(guī)格。根據(jù)計算結果，21.8 m高雕塑中部以下主管采用φ600×26圓鋼管，17.6 m高雕塑中部以下主管采用φ500×18圓鋼管，14.7 m高雕塑中部以下主管采用φ400×14圓鋼管，可滿足結構內(nèi)力要求。為減少工程造價，中部以上主管規(guī)格可適當減小。分析發(fā)現(xiàn)，按構造要求設置上部主管規(guī)格也能滿足結構內(nèi)力要求，最小規(guī)格為φ219×6。

表3 桿件內(nèi)力

2.4 結構位移及限值

該超高超寬鋼管結構為特種結構，其變形限值可以參考我國各行業(yè)的相關標準，經(jīng)比較分析參考我國《架空送電線路鋼管桿設計技術規(guī)定》[6]較為合理，該《規(guī)定》“在荷載的長期效應組合(無冰、風速5 m/s及年平均氣溫)作用下，鋼管桿的桿頂?shù)淖畲髶隙炔粦笥跅U身高度的20‰”，因此，對特殊異型結構按該要求進行頂點位移控制。

基于結構整體分析可知，該結構由風荷載控制。由風荷載所引起的結構變形較大，該結構主要由塔頂?shù)膿隙茸冃慰刂疲渌糠值淖冃尉軡M足規(guī)范的要求。按2.3節(jié)中由內(nèi)力要求確定的桿件，21.8 m高雕塑頂點最大位移為0.40 m，17.6 m 高雕塑頂點最大位移為0.26 m，14.7 m高雕塑頂點最大位移為0.20 m，均能滿足小于桿身高度20‰的要求。

3 結語

基于超高超寬異型鋼管結構分析，可得到如下主要結論:

1)該結構前四階振型為扭振、彎曲振動;

2)通過分析選取合適的桿件規(guī)格，可以同時滿足結構內(nèi)力和位移要求，可知此種結構方案在江邊大風環(huán)境下是安全可行的;

3)按外輪廓線考慮結構迎風面積，按《荷載規(guī)范》塔架結構計算風荷載系數(shù)是合理可靠的;

4)為滿足結構頂點位移的要求，結構上部主管規(guī)格應滿足構造的要求，不宜過小。另外，該類異型結構的控制工況為風荷載作用。

[1]李萬百.橋梁異型結構設計方法簡析[J].建筑設計管理，2010，27(8):51-53.

[2]邵志民，劉 偉，于巖磊.某多層大跨度體育館屋蓋結構設計[J].低溫建筑技術，2010(5):47-49.

[3]GB 50009-2006，建筑結構荷載規(guī)范[S].

[4]GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[5]傅學怡，楊想兵，高 穎，等.濟南奧體中心體育場結構設計[J].空間結構，2009，15(1):11-19.

[6]DL/T 5130-2001，架空送電線路鋼管桿設計技術規(guī)定[S].