宜春交通樞紐工程屋面鋼結構設計★

建慧城 周一一 李林峰

(1.江蘇筑森建筑設計股份有限公司，江蘇 常州 213000; 2.常州工學院,江蘇 常州 213002)

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·結構·抗震·

宜春交通樞紐工程屋面鋼結構設計★

建慧城1周一一2李林峰1

(1.江蘇筑森建筑設計股份有限公司，江蘇 常州 213000; 2.常州工學院,江蘇 常州 213002)

分析了宜春市新火車站綜合交通樞紐工程屋面建筑造型特點，通過比選常用的幾種結構體系，選取了高度較小的交叉梁結構，并采用有限元軟件，對結構體系在各荷載工況和組合下的靜力及動力作了分析，得到了結構的受力和變形特點，確保了屋面鋼結構的安全可靠性。

交叉梁結構，靜力分析，斜鋼柱，節點設計

1 工程概況

本工程位于江西省宜春市袁州區，為大型交通公共建筑，項目總面積為148 897 m2，其中地上建筑面積為69 965 m2，為配套商業、辦公；地下建筑面積為78 933 m2，為非機動車庫、機動車庫等。建筑外形模擬現代交通工具以流線型為主題進行外觀設計。以火車站房為視覺主體，形成中間高，兩側低，中間穩重，兩翼齊飛的總體態勢。以金屬和玻璃的水平線條為主要的立面元素，結合動態的夜景照明，突出建筑組群的連續感和流動感。細部簡潔，突出整體的體型變化，充分體現時代感和速度感，呼應交通建筑的自身特征，效果如圖1所示。

主體結構共分5個區，如圖2所示。本文主要研究3區長途客運主站屋的鋼結構屋面。3區主體為鋼框架和混凝土框架組合結構，屋面采用鋼交叉梁體系、側邊斜柱采用真假相結合鋼管柱，其余部位采用混凝土框架結構。

2 屋蓋選型

結合屋面結構造型及立面要求，通過對各種結構形式的特點及結構特性進行分析，初步提出以下三種結構方案：交叉梁結構，平板網架，管桁架。在特定的荷載和約束作用下通過對上述幾種方案進行分析比選，網架雖然用鋼量相對較低但是結構本身的高度太大，因而無法滿足立面造型要求，管桁架雖然造型美觀但是造價相對較高；最后經過綜合考慮確定選用交叉梁結構。

3 結構基本特性分析

3.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS Gen進行分析，全部桿件均定義為梁單元，同時在節點之間建立板單元用以施加面荷載，為了減少對結構的影響和方便計算分析，模型中將板單元材料的彈性模量按極小值輸入。交叉梁和斜柱等構件均采用Q345B鋼材，主要截面分別為H1 200×350×16×25，H1 200×300×16×25，H900×300×14×25；φ920×30，φ920×16等。斜鋼柱與交叉梁之間主要采用栓焊連接，在受力比較大和復雜的部位采用鑄鋼件過渡。

3.2 結構荷載取值

本工程考慮的主要荷載有：1)恒載(DL)，主要包括結構構件、屋面板、吊頂和下掛物等的自重，其中結構構件自重由程序自動計算而得，屋面板等自重按面荷載輸入模型中合計值為1.5 kN/m2；2)活載(LL)，屋面活荷載按0.5 kN/m2取值；3)雪荷載0.4 kN/m2，其比屋面活荷載小，不起控制作用；4)風荷載(W)：0.3 kN/m2(50年一遇風壓值)；5)地震作用(E)：按6度，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類；6)溫度作用(T)：宜春市的月平均最低氣溫為-3 ℃、月平均最高氣溫為38 ℃，考慮施工條件等計算時取±25 ℃。分析時考慮的主要荷載組合如表1所示。

3.3 靜力分析

結構變形計算時考慮多種荷載工況組合，其中最不利荷載組合為“1.0DL+1.0LL+0.6T”，在最不利組合工況下結構懸挑端的最大的豎向位移為76 mm。

由于結構屬于單側懸挑為12 m，從變形圖上可以明顯看出在端頭豎向變形最大，然后向支座處逐漸變小；其他部位由于跨度不大豎向位移也相對較小。

結構承載力計算時考慮表1中的所有工況組合，單元應力采用基于Mises屈服準則計算的等效應力，在最不利工況組合下的結構的最大等效應力為271.4 MPa，滿足規范值要求；所有構件的應力比均控制在0.90以下，如圖3所示。

表1 荷載組合工況表

3.4 振型分解反應譜分析

本工程整體結構抗震設防烈度為6度、設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.35 s，阻尼比ξ=0.02，對鋼結構部分施加X向和Y向單維地震激勵。多遇地震作用下，地震影響系數最大值αmax=0.04g，結構基本周期大于Tg且小于5Tg，地震影響系數曲線包含直線段和曲線下降段。

由于處于地震烈度6度區，本工程可以不考慮豎向地震的影響。計算地震作用時采用重力荷載代表值，考慮各振型之間的相關性，采用CQC法進行振型組合。振型分解反應譜分析結果如表2所示。考慮多種地震參與的組合后，經過計算可以得到結構構件的最大等效應力為234.6 MPa，滿足規范限制的要求。

表2 振型分解反應譜分析結果

3.5 整體協同工作分析

將鋼結構屋面加入到整體結構中進行復核分析，模型如圖4所示。主體結構主要為混凝土框架，梁和柱采用梁單元、樓板采用板單元模擬。

經過對比分析可知:鋼結構屋面的單體模型和整體模型的最大變形值和構件的等效應力等均能滿足設計要求。其中在豎向荷載作用下結構的單體模型和整體模型變形與構件等效應力差異比較小，在水平荷載作用下結構的單體模型和整體模型存在比較明顯的差異；整體模型計算的變形和構件的等效應力均明顯大于單體模型的計算結果。分析其原因主要是結構支座側向剛度的差異引起的，單體模型時定義的X向和Y向支座剛度均是無限剛的，而整體模型時由于屋面部分支座是擱置在混凝土結構框架柱頂處，而框結構本身在水平荷載作用下是有一定的水平位移，故此計算結果有一定的差異。

由于單體模型計算的柱頂支座處內力大于整體模型，故此可以采用單體模型的計算結果進行支座設計；構件選取時可以用整體模型進行優選，然后用單體模型進行復核取二者的包絡值。

4 關鍵節點設計

鋼結構屋面在⑥軸上采用了一排“V”字形鋼結構真假斜柱，其中受力用鋼斜柱的截面為920×30，建筑立面需要的假鋼柱截面為920×16，如圖5所示。

鋼斜柱的下端分別采用鉸接支座和球型鋼支座與基礎相連接，其中與鉸接支座連接的柱為假斜柱僅作立面造型用，與球型鋼支座相連的為受力鋼柱承受屋面的水平和豎向荷載，如圖6所示。斜柱上端與屋面連接的難點是多梁的空間交匯問題，為了能夠提高節點的整體可靠性，降低多桿交匯焊接時造成的過大殘余應力，此處采用鑄鋼節點,如圖7所示。

5 結語

1)利用有限元軟件，在給定邊界條件下分析常用結構體系的優缺點，最后根據工程自身特點選用了比較美觀可靠的結構形式。

2)對于較復雜的屋面計算時需要采用三維空間模型，并考慮高階振型的影響才能使質量參與系數達到規范的要求，這樣計算地震作用才是準確的。

3)采用計算軟件對結構在多種荷載工況下進行靜力分析，可得知結構本身的變形趨勢和受力特點，對于超長結構而言溫度工況參與的組合是起控制作用的。

4)通過把鋼結構屋蓋加入整體模型中復核支座和構件的受力，分析支座剛度不同時對結構的不利影響，并采取了必要的措施以確保鋼結構屋蓋設計安全、可靠。

5)關鍵節點設計時，要采用適當的構造措施確保力能夠有效傳遞，球型鋼支座和鑄鋼節點是一種非常可靠的做法。

[1] GB 50007—2003，鋼結構設計規范[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] 張浩浩，王小盾，陳志華，等.某室內游樂中心微曲面網架結構設計與分析[J].建筑結構，2015，45(16)：30-34.

[4] JGJ 7—2010，空間網格結構技術規程[S].

[5] 海諾·恩格爾.結構體系與建筑造型[M].林昌明，羅時瑋，譯.天津：天津大學出版社，2002.

Yichun transportation hub works roof steel structure design★

Jian Huicheng1Zhou Yiyi2Li Linfeng1

(1.NternationalCenturyDesignofArchitectureCo.,Ltd,Changzhou213000,China； 2.ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002,China)

This paper analyzes the new train station in Yichun City comprehensive transportation hub project roof architectural style, commonly used system for several structures than the election, determined with a high degree of smaller cross beams. Finite element software architecture in all load cases and combinations of static and dynamic analysis to obtain the force and deformation characteristics of the structure, to ensure the steel roof design safe and reliable.

cross-beam structure, static analysis, inclined steel columns, node design

1009-6825(2016)28-0034-03

2016-07-21 ★ :國家自然科學基金“含有三維受壓構件張拉結構的設計與控制技術”(項目編號：51308080)；國家自然科學基金“含有重復性模塊空間結構的多目標優化研究”(項目編號：51678082)

建慧城(1978- )，男，碩士，高級工程師，一級注冊結構工程師； 周一一(1981- )，男，博士，副教授;李林峰(1979- )，男，高級工程師，一級注冊結構工程師

TU391

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