圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結構設計探討

索楠 畢瑩

【摘要】本文以某工程項目為主要案例，系統總結并探討了圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結構設計內容，結合建筑物的造型與受力特點，構建空間鋼結構體系，并通過空間整體計算模型的創建，借助SAP2000計算并分析不同工況下靜力與動力性能，以期為類似工程項目設計提供必要參考。

【關鍵詞】圓形斜柱大跨度;中庭空間;鋼結構;設計

1.工程項目概況研究

此建設項目為大型城市建筑綜合體，地下3層，地下6層，建筑總面積為200000m2，屬于城市核心區域的重要建筑物。在此核心區域設置了通高中庭，于5層屋面位置設計了屋頂結構。其中，屋蓋的造型為傾斜圓面，且最高部位的標高是40m，而最低部位的標高是36m，圓面的直徑是31m，其水平投影是微橢圓，長軸是31.4m，短軸是31.2m[1]。

對于中庭空間結構，在設計方面，技術難點集中體現在以下幾個方面：

（1）位置相對較高，柱腳是30m;

（2）圓面呈傾斜狀，空間尺寸與定位難度較大且受力相對復雜;

（3）柱子向外側傾斜，受力效果不理想;

（4）屋面吊點的荷載較大，要考慮最不利的組合效應;

（5）五層屋面鋼梁需支撐整個空間結構，因而要對兩部分結構影響程度以及協同性作出深入分析。

2.圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結構選型研究

將建筑師意圖切實體現出來的同時，為確保結構受力路徑更加合理且明確，在此工程項目建設中，通過對主桁架、次桁架、斜柱與環桁架的運用，構建了空間鋼結構體系。對于鋼管桁架結構桿件則選擇的是無縫鋼管，通過相貫焊的方式成功連接。

2.1主桁架

對魚腹式立體桁架加以運用，將跨度確定成31.2m。而大跨度中的桁架高度是2.4m，支座部位采用逐漸收緊的形式，而桁架的兩端則和桁架柱進行鉸接處理。對于主桁架的上弦弦桿與下弦弦桿，其尺寸大小為φ299×12，而腹桿桿件的尺寸大小為φ114×6。

2.2次桁架

在主立體桁架中，次桁架的數量為五道，而跨度最大是14.7m，跨度最小是11.1m。對于此工程中的次桁架，使用的是1m高度的平面桁架，借助相貫節點形式和主桁架成功連接[2]。作為次桁架，不僅要對豎向荷載承載，同樣要為主拱桁架提供所需的側向支撐力，使得屋蓋結構穩定性更強。其中，次桁架的上弦弦桿和下弦弦桿尺寸大小為φ168×8，而腹桿桿件的尺寸為φ89×7。另外，在次桁架的下弦節點位置，對吊點進行合理布置，數量為14個，而每個吊點重量為20kN。

2.3斜桁架柱

在圓形斜柱大跨度中庭結構中，需使用六根鋼管立體桁架柱且向外部傾斜，以發揮支撐作用。其中的兩根對主桁架進行支撐，截面呈矩形，且截面面積由下至上減小，剩余四根則對次桁架進行支撐，而截面呈三角形，截面面積由下到上減小。在中庭空間鋼結構中，屋蓋面和水平面的傾角是6°，投影呈橢圓形，不同桁架柱高度與傾斜角存在明顯差異。在桁架柱的外側，弦桿的尺寸大小為φ203×8，而桁架柱內側弦桿的尺寸大小為φ203×12，腹桿的桿件尺寸是φ108×8。

2.4環形桁架

中庭空間屋蓋的跨度相對較大，且柱腳的側向推力也不小，支撐柱向外側傾斜，所以很難對水平推力加以抵抗。與此同時，柱頂水平位移會明顯增加。如果向下部結構傳遞所有水平推力，那么很容易影響下部結構的內力，并且出現形變情況[3]。一旦下部結構變形，必然會對上部屋蓋受力的情況帶來一定程度的影響。在這種情況下，即可將環形立體鋼管桁架合理設置于柱頂位置，并且沿著屋蓋圓面加以布置，進而對水平推力進行必要抵抗。對于環形桁架的截面，其屬于變截面矩形，會根據桁架柱格構的改變而變化。其中，環桁架的上弦弦桿與下弦弦桿尺寸大小為φ89×7，腹桿的桿件尺寸是φ60×5。

3.圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結構計算分析

3.1荷載取值與組合

開展結構計算期間，需要對結構自重、升溫、降溫、屋面雪載、屋面恒載、風載以及地震作用進行綜合分析。因雪荷載的取值比無人屋面活載取值要小，因而無須對此因素進行考慮，僅對屋面活載考慮即可。其中，恒載的標準數值是桿件自重與屋面板的自重、配重總和，即1.5kN/m2;吊點荷載的標準數值應按照每個吊點20kN的標準，統計14個吊點的荷載;屋面活載的標準數值是0.5kN/m2;溫度作用時-25～+25℃;基本風壓是0.5kN/m。在此工程中，將抗震設防烈度確定成6度，而抗震設防的類別則是丙類建筑。對基本地基加速度設計的時候，將數值確定成0.05g，而地震分組被設計成第一組。

3.2結構計算

對中庭空間鋼結構的計算分析，需以空間整體計算模型為基礎構建，而內力分析則要將桿系有限元作為主要參考依據。主桁架的弦桿應采用剛性連接的方式，通過鉸接形式實現腹桿與其他支撐桿的連接。隨后，引進SAP2000有限元程序開展相關分析工作。基于電算，還要手算復核關鍵的構件與節點。

通過對不同荷載工況條件下主要桿件的最大內力標準值計算后發現，主桁架兩端的支座因未對轉角加以約束，使得結構內力整體分布特點為兩端小中間大，而桁架魚腹式的造型則與此受力特征吻合。由于次桁架的上弦桿、下弦桿和主桁架相連，因而跨中和支座的內力類似。對于環形桁架，其主要的功能就是突出環箍效應，保證結構均勻受力。對于桁架柱而言，需要對結構內全部豎向荷載承擔，所以其弦桿始終受壓，受風荷載與水平地震影響，桁架柱的外側弦桿實際受壓程度會下降，但并不會收拉。

在此基礎上，工程項目中，動荷載內力平均值在靜荷載內力平均值中的占比可通過以下幾個方面表現出來：

（1）風荷載。主桁架、次桁架、環桁架與桁架柱的占比分別為19%、10%、7%和37%;

（2）地震作用。主桁架、次桁架、環桁架與桁架柱的占比分別為4%、3.5%、6%、9%。

由此證實，工程項目中的動荷載作用形成的內力要比靜荷載作用形成內力小，尤其是地震作用最小，未超過靜荷載效應10%。在這種情況下，此結構則通過豎向靜荷載進行控制。而且，溫度改變而引起的桿件內力不大，因而處理節點的過程中要強調桿件冷熱變換的具體影響。通過對構件應力云圖的檢查發現，桿件應力比低于0.7，而且應力均勻度明顯，結構不存在薄弱的部位。

3.3位移與撓度

綜合分析網架結構的設計和施工要求，應保證容許撓度低于。根據不同荷載工況條件控制點的最大位移計算結果發現，主桁架與次桁架的豎向變形撓度都比限值低，而且桁架柱柱頂實際水平位移不超過最小范圍規定。

3.4對比MST計算結果

此工程選擇SAP2000進行計算后，引入MST2006負責驗算，并比較結構關鍵部位內力與位移數據進行比較分析。經對比后發現，兩種計算軟件的結果基本相同。

4.圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結構的動力分析

此結構動力特性為地震分析提供了必要保障，同樣可對結構體系的合理性加以檢驗。借助SAP2000對結構模型加以創建，并對前30階周期與模態作出系統分析。

第一模態：周期為0.59;第二模態：周期為0.50;第三模態：周期為0.45;第四模態：周期為0.42;第五模態：周期為0.37;第六模態：周期為0.28;第七模態：周期為0.27;第八模態：周期為0.26;第九模態：周期為0.25;第十模態：周期為0.24。

根據振形動畫分析可知，次桁架發生局部振動，受模型沒有重點分析屋面檁條相對于次桁架側向支撐作用的影響，使得工程實踐過程中規避了此類型模態處于靠前模態的情況發生。

在有限元結構模型的作用下，可分析整體屈曲情況。由于不同的工況條件，前幾個階屈曲模態的系數都是負數，從物理意義層面分析，即受反向荷載影響，主桁架與次桁架的下弦呈現側向失穩的情況。但工程實踐中并不存在反向荷載，所以無須對屈曲系數是負的模態加以考慮。

受豎向荷載的作用，結構穩定程度理想，且屈曲系數超過15，而主桁架的上弦局部有側向失穩的情況，在屋面系統中需要對主桁架上弦側向穩定性加以改進。當風荷載參與到組合中，桁架柱腳周邊的腹桿會發生平面外失穩的情況，而且屈曲系數不高，對具體情況加以分析，屈曲系數實際會超過6.7。一般此類工程項目的一類穩定安全系數需要超過4，所以此項目穩定安全系數與基本要求吻合。

5.結束語

綜上所述，在此工程項目中，景觀造型有效地呈現出來，與建筑空間和功能等方面的需求吻合。但需要注意的是，結合建筑造型需求，對結構體系的合理化選用十分關鍵。中庭空間結構的主桁架使用了魚腹式立體桁架，結構合理且受力性能理想，使得建筑造型更理想。而次桁架則選擇平面桁架，桿件數量隨之降低。環桁架結構整體的剛度顯著增加，使得柱頂位移得以約束，效果突出。

參考文獻

[1]邢喜旺，張文軍，趙明亮， 等.大跨度空間鋼結構吊裝施工技術探究[J].中國高新科技，2018（8）：47-50.

[2]于蘭蘭.超高層建筑大跨度中庭火災撲救對策研究[J].建筑工程技術與設計，2016（8）：2002-2002.

[3]熊志偉，遲春.大跨度鋼筋混凝土空間曲面板殼結構分析及設計[J].四川建筑，2015（2）：144-146.

（作者單位：青島環境工程設計院有限公司）

【中圖分類號】TU391

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）10-0042-02