某金字塔形采光頂支承結構設計研究

徐 國 洲

(中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

某建筑中央大廳頂部設置金字塔形玻璃采光頂，采光頂跨度40.8 m，錐面傾斜角度42°(見圖1)。下部支承結構為一層鋼筋混凝土框架結構，設一層地下室。根據建筑方案設計，采光頂錐面玻璃采用三角形分格，采光頂外部為鋼結構裝飾構架。

2 結構選型

玻璃頂跨度約為40.8 m，幕墻玻璃由斜向相交的13條分割線將三角形錐面分割為數量眾多的菱形，再由橫向分割線將每個菱形分割為兩個三角形。支承結構設計結合玻璃分格方式，在斜向相交的分割線上布置主要受力構件，形成兩向斜交單層空間網格鋼結構，底部支承與混凝土主體結構屋面梁上，底部按鉸接設計。

空間網格結構桿件截面通常為圓管、H型鋼或矩形鋼管。計算分析表明，采用H型鋼或矩形鋼管均可有效控制錐面撓度，同時兼顧經濟性；圓鋼管則不利于節約材料。結合結構桿件面內計算長度小、面外計算長度大的特點，從構件受力角度，采用H型截面最為合理，但考慮建筑裝飾效果要求及室內環境日常圍護方便，設計時采用冷彎空心矩形鋼管。

3 結構計算

結合上述結構選型結論，設計時采用SAP2000v19.0.0建模進行結構計算分析及構件截面驗算(見圖2)。值得注意的是，玻璃頂支承結構為圍護結構，設計時需按圍護結構計算幕墻各錐面的風荷載，風荷載在幕墻表面并非均勻分布，邊角部位較大，設計還需考慮圍護結構局部開啟造成的室內風壓影響[1-4]。結構計算需在確保構件滿足承載能力要求的前提下，校核結構在恒載、活載及風荷載作用下錐面產生的面外變形，使結構滿足使用要求。根據強度及穩定性驗算結果，結構構件的應力比均較小(小于0.5)，構件截面主要由結構變形及構件長細比等構造要求控制，截面尺寸為□150×500×10。

因采光頂為單層空間網格結構，為確保結構整體穩定，對結構進行了整體屈曲分析，結果表明，恒載及活載作用下結構第一階屈曲因子為40.0(見圖3)，表明結構具有足夠的穩定承載力。

4 節點設計

玻璃頂錐面均為平面，桿件相交節點均設計為剛接節點，采用全熔透坡口對接焊縫連接，焊縫強度與母材等強。節點處貫通桿件內是否設置內隔板(見圖4)，對結構安全性、經濟性、施工便利性均有較大影響，設置內隔板，則節點傳力機制更為直接、合理；不設內隔板，則施工更加方便，具備更好的經濟性。因此，設計時對節點力學性能受內隔板的影響程度進行了有限元分析，計算時采用殼單元模擬矩形鋼管壁板。

計算結果表明，節點形式(是否增設內隔板)對結構變形無明顯影響，變形差異(小于1 mm)可以忽略。節點處殼單元最大應力計算結果如圖5，圖6所示，取消內隔板后，節點處鋼管壁最大應力有明顯增大，但兩種節點形式下管壁應力均未達到設計強度，故均可行。由于本工程桿件截面由結構變形及構造要求控制，承載力有較大富余，設計時采用了節點1所示構造做法，提高了結構設計經濟性。

5 結語

該金字塔形玻璃采光頂支承結構設計時，綜合考慮安全、經濟、施工，建筑裝飾效果及室內環境日常圍護方便等問題進行結構選型、風荷載取值及計算分析，在確保安全的前提下簡化節點構造，達到了相對合理的結構設計成果。