雁回門鋼結構方案設計報告

歐盛

（廣東省　廣州市　510000）

雁回門鋼結構方案設計報告

歐盛

（廣東省廣州市510000）

進入21世紀，建筑科學技術有了突飛猛進的發展，隨著新型建筑材料的不斷出現，混凝土加結構工程加固施工方法也將會有更大的拓展。據此，鋼結構施工方案的設計也將具有更廣泛的發展空間。本文重點對雁回門工程的設計方案進行了論述。

鋼結構；方案設計；混凝土

1　工程概況

雁回門設計靈感源自我國傳統的月亮門與雁回，形態上意在表達“雁回待飛”——如金色大雁準備展翅騰飛之意境，又如天際中一道月亮門迎接四方賓客。

雁回門位于新區北角，仿佛張開雙臂擁抱未來，迎接世界的關注。無論從各條路以及地面廣場均可全方位視角觀看到直徑30m橢圓球幕，醒目而充滿動感。作為一尊現代雕塑，與高架交叉系統曲線交錯渾然一體，宛如一條綢帶在空中飛舞張揚。

2　本設計依據的規范規程及行業標準

（1）《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）；

（2）《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）；

（3）《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）；

（4）《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）；

（5）《建筑抗震設防分類標準》（GB50233-2004）；

（6）《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）；

（7）《碳素結構鋼》（GB700-2006）；

（8）《低合金高強度結構鋼》（GB1591-2008）；

（9）《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ99-98）。

3　計算軟件

結構設計采用的計算分析軟件為SAP2000V14.1.0與Midas en Ver.800。

4　材料

（1）本工程結構鋼材材質主要為Q345B。Q345B低合金高強度結構鋼應符合《低合金高強度結構鋼》（GB1591-2008）現行規范的規定，其應均具有屈服強度、抗拉極限強度、伸長率、沖擊試驗，冷彎試驗和C、S、P含量的合格保，對于局部應力較大的部位采用Q420B；

（2）本工程用的鋼材屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值不應大于0.85；應有明顯的屈服臺階；伸長率應大于20％；應有良好的焊接性和合格的沖擊韌性；

（3）鋼管混凝土的混凝土強度等級為C40。

5　結構設計說明

5.1結構機理分析

造型新穎，在設計過程中存在以下幾個難點：

（1）整體結構高度較高，環的邊長從底部的5.2m縮小到中部的4.4m最后增加至頂部的15.2m，這種上大下小的結構對整體受力不利，也將導致結構底部的受力過大；

（2）環的落地點距離太近，對結構的抗傾覆不利；

（3）橢球的所處的高度較高，與環的連接節點較少，橢球的扭轉以及側移可能較大；

（4）由于環的不對稱性將加劇橢球的扭轉。

綜合考慮結結構造型、結構自重、變形等，對各種方案進行比選，最終采用了空間桁架+鋼筋混凝土基礎的混合結構體系（坐標軸的確定：橢球長軸為X向，短軸為Y向，原點定于地面）。

5.2結構體系布置

雁回門的主要尺寸可詳見概念設計圖。空間鋼桁架+鋼筋混凝土基礎的混合結構體系可分為環形鋼結構（A部分）、橢球鋼結構（B部分）、本報告主要針對A、B兩部分的鋼結構進行分析、設計。

針對結構A，其鋼桁架桿件均采用圓鋼管，相貫焊接。外圍弦桿管徑根據內力大小由φ1500×50漸變至φ500×16，在橢球中心面（標高34.32m）以下，采用交叉斜桿，在中心面以上，采用單斜桿（見圖1），以降低結構自重和簡化節點構造，增強結構的扭轉剛度，腹桿的截面規格為φ700×30～φ351×8。

圖1　結構A斜桿構造示意圖

環形結構與混凝土基座相連的桿件采用φ1500×50、φ700× 30鋼管混凝土。

結構B則采用平面桁架結構體系，通過各個撐桿將各榀桁架聯系成一個整體，并通過6個點與結構A相連，由于建筑造型問題，橢球左右兩邊的寬度不一樣，這或許會影響到后期的美觀或者使用，故建議建筑對其進行適當的修改。

6　計算模型建立

本工程采用的主要計算程序為結構有限元軟件為SAP2000v14.1.0。SAP2000為國際上通用的有限元計算分析程序，其計算分析功能強大，9.0以上的版本中加入了中國規范，可采用中國規范對結構進行設計驗算[1]。另外本工程還采用Midas Gen Ver.800進行校核對比[2]。

在AUTOCAD2004中建立結構的三維模型，然后導入SAP2000中進行計算。采用的計算單元主要有梁單元和殼單元。在程序中建立了結構的整體模型。

整體模型如圖2。

圖2　結構整體模型

之后建立虛擬面，施加荷載，現以風荷載為例，通過模型表示其加載情況。風荷載按兩種工況施加，即Y軸左向風，Y軸右向風，分別對應工況W1、W2（其中為了安全起見，橢球按其在豎直方向的投影面加載）。

7　結構靜力分析主要結果

主要控制節點的位移：

表1列出主要控制節點在正常使用極限狀態下的三個方向的位移，主要控制點包括結構最高點441、結構B與結構A相連的6個點。

表1　結構各個控制點在正常使用極限狀態的位移（單位：mm）

由上述計算可以看出，SAP2000的計算的結構與Midas的結果非常接近，最高點的側移與高度的比值為：218.50/57070=1/261<1/250，結構B的最大側移與標高的比值為：116.86/34322=1/294≈1/300，滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》與《高層結構設計規范》的要求。

8　結構動力分析主要結果

8.1結構自振周期和陣型質量參與系數

使用特征值向量法計算整體結構的前500階階模態，使各個方向的陣型質量參與系數大于0.9，對比了SAP2000與Midas前 10階的周期，兩者的誤差在6％左右，這與內力、反力的誤差相比，誤差較大，這主要是由于Midas與SAP2000在殼單元的定義有區別，也正因為這方面的差異將導致由于地震作用產生的結構響應不同，考慮到SAP2000中的殼單元更符合實際，故本工程的動力分析結果均以SAP2000的計算結果為準。

8.2結構主要模態視圖

結構的主要振型見圖3～5。

圖3　第1振型（Y向振動為主）

圖4　第2振型（X向振動為主）

圖5　第3振型（扭轉）

9　結構反應譜分析

反應譜分析得到的結構的主要桿件的應力比：

根據反應譜分析得到承載能力極限狀態下（地震作用參與組合）結構桿件的應力，統計結果如圖6～9所示。

圖6　結構A的桿件應力比統計結果（SAP2000）

圖7　結構A的桿件應力比統計結果（Midas）

地震作用下的應力比計算結果顯示，最大的應力比不超過0.5，進一步同圖9比較可見，桿件在地震作用下結構的應力比比靜力分析結果要小。因此，地震作用不起控制作用。

圖8　結構B的桿件應力比統計結果（SAP2000）

圖9　結構B的桿件應力比統計結果（Midas）

總的來說，通過對該結構的靜動力分析，以及對該結構在各種工況組合下的承載力極限狀態和正常使用極限狀態的驗算，結果均滿足《鋼結構設計規范》要求。故該結構初步設計是可行的，也安全可靠的。

10　結構用鋼量

結構A、結構B各分項用鋼量（按軸線長度計算）如表2所示。

表2　結構分項用鋼量（單位：t）

11　結論及建議

通過對該結構分析設計，可得到以下幾條結論及建議：

（1）空間桁架+鋼筋混凝土基座的混合結構體系合理，用鋼量指標也在合理范圍，結構的變形也在規范允許之內，故該方案可行，安全可靠；

（2）兩個落地點的距離可適當加大，以進一步提高結構的抗側剛度；

（3）對建筑造型在橢球進行微調，使其橢球左右兩側的寬度一致；

（4）采用較輕的表皮材料，降低結構自重；

（5）建議做對該結構進行風洞試驗，以進一步確定風荷載的準確取值。

[1]SAP2000中文版使用指南.北京：人民交通出版社，2011.

[2]midas Gen分析手冊原理說明.北京：機械工業出版社，2006.

TU391

A

1673-0038（2015）17-0036-03

2015-4-6