某異型空間鋼結構設計

蘇 健 周建爐

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

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某異型空間鋼結構設計

蘇 健 周建爐

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

結合具體工程的設計實踐，著重分析了異型鋼構件的節點設計，包括圓管節點，異型H鋼與圓管連接節點等，介紹了格柵節點設計，通過合理的分析設計，使整體結構受力合理、安全，施工方便。

異型鋼結構，圓管節點，格柵，傘狀格構柱

1 工程概況

本工程位于安徽省合肥市某工業園區內，用途為園區展廳，平面大約500 m2，建成后將成為園區內的一個精致的亮點。圖1為整體效果圖，建筑為兩層，總高度最高點為15.550 m，1層層高6.750 m，在±0.000以下。±0.000以下及周邊部分為園區地下停車庫，此展廳原本設計為混凝土結構，同地下停車庫整體設計計算。由于建筑造型復雜，多方討論混凝土結構會給施工及后期裝修造成很大的困難，業主改為全鋼結構，柱腳設置在混凝土頂板之上，上部結構單獨計算。工程設防類別為丙類，設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，結構使用年限為50年，安全等級為二級。

2 結構體系

結構形式為空間鋼框架體系，主要構件為圓鋼管和H型鋼。屋面局部為輕鋼屋面，東北側懸挑展廳處為玻璃屋面。結構設計的難點在于整個建筑造型比較復雜，東北側有5 m多的懸挑玻璃展廳，整個西側門廳梁跨度近20 m，建筑師不希望展廳內部有冗余的節點，并且要求整個玻璃展廳必須是統一的圓管截面。由于屋面標高變化較多，且部分屋面不相連，因此不能簡單的套以規范各種指標參數，模型也不能以簡單的“層”的概念去套用。采用3d3s軟件進行整體空間計算及構件設計，由于基礎底板厚度有限，柱腳采用外包式柱腳。結構模型如圖2所示。

2.1 荷載取值

±0.000處樓面板厚為120 mm，附加恒載取2.0 kN/m2，活載取3.5 kN/m2。屋面恒載(包括吊掛荷載)取1.0 kN/m2，活載按不上人屋面活載取為0.5 kN/m2，基本雪壓0.6 kN/m2，基本風壓0.35 kN/m2。由于異型板比較多，因此重力荷載施加根據計算施加在主次梁上，避免了軟件自動進行板面導荷載帶來的不準確，橫向風荷載依照實際幕墻支撐情況，主要施加在柱子上，對于一些跨度較大的梁，幕墻有支撐設置處，則施加相應的橫向風荷載。

2.2 節點設計

由于管結構一般更適合作為軸心受力構件，抗彎性能不如型鋼，因此不適合作為梁，東北處玻璃展廳的懸挑，要求截面必須是鋼管截面，在此采用了兩個設計原則，第一：增加斜拉桿，使懸挑展廳的重力荷載盡量通過斜拉桿以軸力的方式傳至柱子上，第二：圓管梁貫通，柱子作為懸挑梁的支點，且此梁柱節點壁需要加厚，如圖3所示。這樣做使得節點剛度加強，用以抵抗大懸挑產生的端部彎矩。圓管梁柱的連接為相貫焊接，理想模型為半剛接，對于半剛接，目前規范沒有清晰的界定，也沒有很好的計算方法。因此在建模計算時將節點分別定義為剛接及鉸接連接，取包絡設計，節點仍然需要同圖3一樣加強。

梁柱節點采用傳統的外環式節點(如圖4所示)，規范要求0.25≤B/D≤0.75，且B≥0.7bf，bf是被連接鋼梁的翼緣寬度，外環板外伸部分與環板相接部分必須做成r≥10 mm的圓弧過渡，以減小應力集中。為了滿足與幕墻的連接美觀，建筑要求角部及平面轉換處不得采用外環板加強節點。而角柱和邊柱一般都承受較大的彎矩，所以此節點必須采取很好的加強措施，考慮到柱截面400 mm較小，設置內環板會給施工帶來困難，因此采用增設加勁板的加強方式(如圖5所示)，加勁板厚度同環板厚度一致，且加勁板需要設置一定的長度L，L長度以其沿線對齊倒角邊為宜(圖5虛線)，這樣加強后的節點可以保證將梁端的不平衡彎矩傳至柱壁上。

本工程外裝飾為幕墻，幕墻結構所有的橫向風荷載都要傳到主結構上，因此橫向風荷載是主體結構的主要控制荷載，較為理想的設計方法是將所有幕墻傳來的風荷載傳至結構柱，以柱為抵抗橫向荷載的主要構件。本工程由于建筑外形復雜，幕墻與屋面梁有較多連接，而梁承受面外橫向荷載無法由可靠連接實現，因此需要采取加強措施。對于本工程，如圖6所示屋面1，鋼梁跨度約20 m，單靠鋼梁平面外抗彎無法抵抗橫向風荷載，因此利用撐桿，將內外側梁聯系起來，成為一個類似空腹桁架的結構，用于抵抗幕墻構件傳至梁上的風荷載，屋面2在立面上呈現為30°坡屋面，采用H型鋼作為次梁，次梁承受屋面重力荷載的同時，也與主梁共同工作，形成空腹桁架，參與抵抗幕墻傳至主梁上的風荷載。

3 格柵設計

為了增加建筑的整體效果，周邊設置格柵以作為園區的休閑區，格柵是鏤空的，整體只承受自身的重力荷載以及很小的風荷載，從結構計算的角度，鏤空格柵的計算非常簡單，只要整體建模計算，分析主次梁的主從關系，對于懸挑端的撓度進行控制即可。然而在施工圖的繪制過程中，發現具體的節點如果只按照普通管截面的連接節點設計(相貫焊接)很難滿足結構模型中的假定。因此格柵節點設計是本項目的另外一個難點，建筑師要求支撐格柵的柱子是由四根小直徑鋼柱拼成，頂部四根鋼柱傘狀打開，作為格柵的支撐。為了使建筑廊道比較清爽，建筑師只允許在較少的地方設置鋼柱(平面如圖7所示)，這使得屋面鋼梁有大的懸挑，最大懸挑處為7 m多，而且大都是X向次梁以Y向主梁為支座進行懸挑，且建筑師要求Y向的主梁比X向的主梁截面小，X向截面為方鋼管400×200×12×12，Y向截面為方鋼管800×200×6×6。鋼柱為四根直徑為166、壁厚為10的圓管拼成。圓管柱與梁的連接，考慮到柱截面相對比較小，為了使梁荷載均勻的傳到柱壁上，采用加勁肋加強節點(如圖8所示)，在柱頂的方鋼管內襯加勁板，這樣做避免了方鋼管管壁承受圓管柱的反力過大而使管壁發生鼓曲。同時對四個圓管支柱也設置加勁肋，具體做法是，在四肢圓管柱上預開槽口，將加勁板插入槽口焊接，使之成為一個單元(單元1)，然后將此柱單元在現場與梁連接。

4 結語

本工程為全鋼結構，體型變化較多，平面豎向均有不規則，中庭為局部大開洞，因此必須采用空間整體建模計算分析。由于體型的復雜，傳統的梁柱連接節點不能較好的適用于本工程，分析設計時考慮到理想節點與實際節點制作的差異，著重對異型節點進行了研究分析，設計出了適用于異型結構，圓管結構連接的節點，并且對局部容易出現破壞的節點進行了有效的加強。對于橫向風荷載作用在梁上的情況，采用了增設支撐共同作用的方式，避免梁平面外破壞。設計了園區格柵構件連接，對于傘狀格構柱與方鋼管連接進行了分析設計，重點考慮到方便鋼結構施工，對此類建筑構件的設計有相應的參考意義。

[1]GB 50011—2010，抗震設計規范.

[2]GB 50017—2003，鋼結構設計規范.

[3]童根樹.鋼結構的平面內穩定.北京：中國建筑工業出版社，2005.

Concerning on heterotypic steel structure design

Su Jian Zhou Jianlu

(ZhejiangUniversityBuildingAcademyCo.,Ltd,Hangzhou310028,China)

Combining with specific engineering design practice, the paper mainly analyzes heterotypic steel structure joint design including circular tube joint, heterotypic H steel and circular tube joint and so on, and introduces rigid joint design. Through rational analysis, it makes integral structure stress rational, safe and construction convenient.

heterotypic steel structure, circular-tube joints, grid, umbrella lattice column

1009-6825(2015)18-0035-03

2015-04-13

蘇 健(1981- ),男，工程師； 周建爐(1971- )，男，高級工程師

TU391

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