巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)的研究與分析

趙格 黃戴春 馬龍 陳恩明 梁博

摘要：巨型飄架最顯著的優(yōu)點是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范圍內(nèi)，可以按需要設置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。本文根據(jù)工程實例介紹了巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)及其特點，論述了巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)的設計方法和抗震方面的性能分析，并結(jié)合實際工程創(chuàng)造性的提出柱腳“半剛半鉸”的設計方式，不僅滿足工程要求，而且經(jīng)濟便于實施。

關(guān)鍵詞：巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)；造型設計；抗震性能；柱腳設計

一、 前言：

巨型結(jié)構(gòu)是由大型構(gòu)件（巨型梁、巨型柱和巨型支撐）組成的主結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作的一種結(jié)構(gòu)體系。從平面整體上看巨型結(jié)構(gòu)的材料使用正好滿足了盡量開展的原則，可以充分發(fā)揮材料性能；從結(jié)構(gòu)角度看巨型結(jié)構(gòu)是一種超常規(guī)的具有巨大抗側(cè)剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)，是一種非常合理的超高層結(jié)構(gòu)形式；從建筑角度看巨型結(jié)構(gòu)可以滿足許多具有特殊形態(tài)和使用功能的建筑平立面要求，使建筑師們的許多天才想象得以實施。

屋頂飄架一般以鋼結(jié)構(gòu)框架形式展現(xiàn)，在遮陽上是有節(jié)能的效果，但更多的是用來裝飾造型用的，造價比較高。現(xiàn)代建筑在符合結(jié)構(gòu)力學的基礎上，采用幾何外型設計達到建筑美感要求，巨型裝飾飄架這一結(jié)構(gòu)形式應運而生，開始流行于商業(yè)、住宅等建筑中。巨型框架最顯著的優(yōu)點是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范圍內(nèi)，可以按需要設置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。

二、工程概況及特點

我公司借鑒以前鋼框架的設計經(jīng)驗，對日月廣場鋼結(jié)構(gòu)屋頂飄架項目進行開發(fā)，有助于我公司對巨型飄架設計積累經(jīng)驗，優(yōu)化設計方案，增強設計實力，進而提升在海南省鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的競爭力，對于市場開發(fā)有著重要的的意義。

本工程的鋼柱均為φ350x12圓管型材，鋼梁為HM600x300、HM600x350熱軋H型鋼，次梁為HN400x200熱軋H型鋼，材質(zhì)均為Q235B。本工程設計有以下特點：

1.造型多樣：本工程共包含12個流線型單體，每個單體造型各異，互不相同，造型優(yōu)美。

2.抗震設計復雜：每個單體外形的多樣性，使得抗震設計變得復雜。在彎曲的梁處抵抗地震力的受力分析不易計算。

3.結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性：由于工程下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部增加鋼結(jié)構(gòu)飄架，鋼筋混凝土與鋼材兩種材料的側(cè)向剛度、阻尼比、彈性模量等都不相同，如何使兩種材料緊密結(jié)合，從而使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求，顯得尤為重要。

4.梁柱連接節(jié)點設計多樣：由于結(jié)構(gòu)外型的嚴格要求，梁柱連接節(jié)點設計變得更加多樣化和復雜化，并且要考慮施工的可操作性。

三、設計過程

本項目以設計院圖紙要求和國家相關(guān)規(guī)范為研究設計依據(jù)。主要研究內(nèi)容有：多樣化造型設計，周期位移設計，抗震設計難點，柱底連接方式設計等。

1）多樣化造型設計

本項目根據(jù)建筑使用功能要求，將單體外圍設計為圓弧形狀，在拐角圓弧處盡量考慮施工的可行性。將外形圓弧設計為懸挑梁，內(nèi)圓弧直接與柱相連，作為主梁。單體內(nèi)部設圓弧梁，與外邊緣圓弧呼應，造型美觀。結(jié)構(gòu)的主次之分明確，主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)均可靈活布置。

2）周期位移設計

本工程在使用PKPM軟件建模時，考慮到巨型飄架一般為裝飾性構(gòu)件，具有“大開洞，無樓板”的特點，選擇“全樓設膜”這一周期位移設計假定。該假定是采用平面應力膜單元真實計算樓板的平面內(nèi)剛度，同時忽略樓板的平面外剛度，即假定樓板平面外剛度為0。

3）抗震設計

由于巨型鋼結(jié)構(gòu)的大型復雜性，使其受力性能和破壞機理、制作和安裝等都相應增加了難度。由于本工程嚴格的外型要求，使得結(jié)構(gòu)不規(guī)則。抗震設計中，合理布置鋼梁位置就尤為重要，盡量滿足兩個主軸方向等效慣性矩最大原則，避免單懸挑，提高結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)，使更多的構(gòu)件參與到抵抗地震力作用中。

4）柱腳設計

利用計算軟件PKPM進行鋼柱柱腳設計時，由于原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的限制與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求相沖突，無法完全使用剛接節(jié)點設計，考慮到巨型飄架的裝飾作用和造價的經(jīng)濟合理性要求，創(chuàng)造性采用“半剛半鉸”的柱腳節(jié)點設計。盡量讓柱腳剛性一些，同時控制長細比滿足要求，增加自身穩(wěn)定性。

四、技術(shù)創(chuàng)新點

通過本項目研發(fā)的設計方法符合技術(shù)標準、規(guī)范要求，主要技術(shù)指標、方案的可實施性等均以達到客戶的要求，得到客戶的充分認可。

本項目的技術(shù)創(chuàng)新性與先進性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

造型設計

以建筑使用功能為背景，滿足使用要求，豐富建筑立面，進行創(chuàng)造性設計巨型飄架產(chǎn)品外型，使設計方案具有獨特性，在建筑造型設計上積累了寶貴的經(jīng)驗。

柱腳設計因工程實際條件限制，柱腳創(chuàng)造性的設計為“半剛半鉸”的結(jié)構(gòu)形式。這種設計符合工程實際且簡單易行，造價也非常經(jīng)濟。

五、結(jié)論

巨型裝飾性飄架是一種新型的結(jié)構(gòu)體系，由于其整體剛度大、主次結(jié)構(gòu)傳力明確、有利于抗震、施工靈活、造型獨特等特點，在工程中應用越來越廣泛。但是在分析方法、結(jié)構(gòu)設計及施工安裝，特別是結(jié)構(gòu)抗震的研究方面存在著諸多問題，并未給出具體的抗震設計方法。在本文中，考慮巨型飄架具有“大開洞，無樓板”的特點，選擇“全樓設膜”這一周期位移設計假定，符合實際結(jié)構(gòu)特點；合理布置鋼梁位置，避免單懸挑，提高結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)，使所有構(gòu)件都能參與到抵抗地震力的作用中；鋼柱“半剛半鉸”的結(jié)構(gòu)形式。文中所列的分析方法可以很好地解決實際工程的問題，為推動巨型飄架設計起到很大的作用。

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