大空間鋼結構設備檢修層結構設計研究

林 斌

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，大空間公共建筑因其可滿足多方面使用功能，在各城市如雨后春筍般普及開來，如大型歌舞劇院、大型會堂展覽館、體育場館。此類建筑的觀眾廳區域，需把裝修吊頂與聲學功能相結合，使用各種材料做成氣勢恢宏的雙曲面吊頂造型。觀眾廳上空吊頂還需結合布置聲光器材、上下層消防管道、電氣燈具,特種設備、檢修馬道等設備。通常需在吊頂上空再布置設備檢修層來實現這樣的功能需求。傳統工藝采用平面格柵架作為檢修層骨架。在實際工程中，格柵架在裝修階段末期由吊頂廠家安裝或施工隊自行安裝，廠家僅從機械方面考慮格柵架自身設計，并未考慮其他功能需求產生的荷載作用。從歷來的施工現場來看，各專業施工隊也是僅從自身角度出發各自二次安裝設備在格柵架上，互不統屬，往往會造成檢修層總荷載超過原結構屋面設計時的預留荷載。因觀眾廳上空各種設備均直接放置在格柵架上，且當格柵架離屋頂較遠時，傳統格柵架布置形式就對原屋面結構帶來了安全隱患。所以從整個建筑結構安全角度來看，規范強條明確規定：重型設備和有振動荷載的設備嚴禁安裝在吊頂工程的龍骨上；吊桿上部為網架、鋼屋架或吊桿長度大于2.5 m時應設有鋼結構轉換層[1]。為解決此類工程實際問題,需要把觀眾廳吊頂設備檢修層進行系統性的專項設計，按空間鋼結構思路，把格柵架設計成滿足各配套功能的空間鋼結構設備檢修平臺。

本文以一個劇場工程為例，使用3D3S空間鋼結構軟件設計,在傳統格柵架的基礎上討論大空間鋼結構檢修層的設計思路，以及對原結構的保護措施。

1 工程概述

1.1 福州某劇場會堂

該工程屬于大型乙等劇場建筑，其中大會堂觀眾廳區域建筑高度24 m，室內凈空高度20.5 m,建筑凈面積1650 m2，原結構為鋼筋混凝土框架，屋面梁采用鋼桁架梁,橫向跨度38 m，各桁架梁上下弦之間有橫向支撐梁，屋面板采用鋼筋桁架樓承板,板厚110 mm。當地抗震設防烈度7度，地震分組第三組，設計基本地震加速度值0.1g。觀眾廳上空布置有雙曲線造型的GRG吊頂、舞臺燈光器械、舞臺音箱，吊頂下層消防支管，吊頂內部布置消防管主干管、檢修馬道、聲橋、面光橋、暖通送回風管。內部空間非常緊張。原結構屋面活荷載4.0 kN/, 觀眾廳平面布置圖，如圖1所示。

圖1 馬道及消防主管建筑平面圖

2 傳統格柵架思路分析

采用傳統格柵架僅按平面布置(圖2)，吊桿直接按間距2.4 m×2.4 m均勻布置。鋼架鋼梁橫平豎直均勻布置，整體采取純懸掛方式,四周無可靠連接點。鋼架自身總高度就達到4.2 m,距離屋面4.76 m,且吊桿滿堂布置，占用大部分鋼架內部凈空。觀眾廳凈高減小，空間壓抑感強。鋼架縱橫向均采用14號槽鋼,間距2.4 m×2.4 m，吊桿采用10號槽鋼,聲橋與面光橋安裝時需在柵架下方二次焊接，GRG吊頂龍骨需布置二次轉換鋼梁，馬道用10號槽鋼在柵架上方二次安裝(圖3)。因各個設備都是獨立二次安裝，造成總用鋼量較大，恒活總平均荷載約3.8 kN/。各專業設備安裝困難，且施工時前后沖突，造成返工情況。

圖2 傳統格柵滿堂鋼架

圖3 傳統傳統格柵滿堂鋼架橫斷面

鋼架與周邊填充墻體留有空隙無法形成可靠連接，整個鋼架純懸掛構件。在3D3S抗震驗算時，整個吊頂鋼架就像鐘擺一樣，在半空搖晃，其地震工況下X向最大位移值如圖4所示。

圖4 地震工況(情況5): Ux(mm)

從圖表中計算結果所示，X向位移最大可達44.2 mm，遠大于1/250的層間位移角容許值,因位移變形太大，容易在地震時使裝修材料及設備脫落，造成次生災害。該方案的吊桿用化學螺栓直接固定在屋面板上，屋面板相對于化學螺栓錨固長度而言厚度太薄，錨固承載力不足，同時此法容易造成屋面板開裂漏水，影響原結構耐久性。

傳統格柵鋼架在實際工程中存在如下弊端：

(1)各專業未進行系統整合設計，格柵架僅考慮吊頂荷載，未考慮其他專業產生的荷載，鋼架容易產生安全隱患。

(2)容易造成鋼架自重大，對原結構增加過大附加荷載，對原屋面結構帶來安全隱患。

(3)吊頂內部空間緊張，各專業設備安裝空間位置容易產生沖突，會有誤工返工情況發生。

(4)無法與原結構協調變形，鋼架整體性差。

3 空間鋼結構設備檢修平臺設計思路分析

針對傳統格柵架的弊端，改進設計思路,鋼架檢修平臺在觀眾廳裝修設計方案階段就應介入，以不超過原結構屋面活荷載為前提,把吊頂及各設備專業需求荷載統籌考慮，進行系統性整合設計。

(1)先收集各專業圖紙及廠家設備參數，然后對各專業需求荷載、各區域局部荷載進行細分布置[2](表1)。暖通荷載與消防管道荷載按平面布置精細輸入。各區域恒活荷載疊加后的平均荷載為2.1 kN/m2，遠小于原屋面活荷載。

表1 檢修鋼架荷載統計表

(2)經與原結構設計師溝通，鋼架設計成空間結構,有利于減少用鋼量。利用鋼桁架梁下弦梁及桁架間次梁做鋼架吊桿的固定支座，在下弦桁架次梁增加一道吊掛梁，吊桿固定在桁架下弦節點處，或新增吊掛梁下翼緣，這樣吊桿長度減少到1.7 m，鋼架總高度3.1 m，在鋼架頭尾兩跨及局部通高吊桿設置豎向交叉斜撐提高空間穩定性。這樣布置鋼架大大增加觀眾廳凈空。3D3S軸測圖，如圖5所示。

整個鋼架沿屋面鋼桁架梁方向布置吊桿,采用主次梁受力方式，以縱向鋼梁做主梁與吊桿組成主受力方向；橫向梁作為次梁,次梁與主梁用剛節點方式連接。主梁用14號槽鋼,次梁按間距1.2 m布置，用8號槽鋼，方便GRG吊頂直接吊掛。鋼架上層用8號槽鋼作為檢修馬道,馬道沿燈具走向呈圓弧型布置，設檢修孔，鋪設30 mm厚鋼格板。下層面光橋與聲橋需形成封閉的空間,橋面鋪2.5 mm厚花紋鋼板,周圍布置密閉的遮光板(圖6)。 經計算，次梁間距1.2 m可承載消防管道主支干管和暖通設備。

圖6 上層鋼架布置圖

(3)為減少檢修層鋼架自重,所有荷載均按實際荷載在3D3S里按范圍導荷方式精確布置，并設置成荷載雙向導到桿件。經計算，僅聲橋吊桿用10號槽鋼，其余區域吊桿采用8號槽鋼就可滿足規范要求。整體鋼架在3D3S中計算結果匯總，如表2所示。

表2 按“強度應力比”統計結果表[2]

吊桿最大支座拉力為45 kN，考慮1.25的動力系數取56 kN。吊桿布置在原屋面桁架下弦節點處，節點板與鋼梁下翼緣坡口熔透焊，吊桿與節點板側焊如圖7所示。

圖7 吊桿節點圖

吊桿與節點板的側焊縫受力最大，主要計算側面角焊縫應力，計算過程如下：

角焊縫焊腳高度：hf=6 mm；有效高度：he=4.2 mm

焊縫受力：N=0 kN；Vx=0 kN；Vy=56 kN；

Mx=0 kN·m；My=0 kN·m；T=0 kN·m

有效面積：A=9.912 cm2

Vy作用下：τvy=Vy/A=56/9.912×10=56.497 MPa

角點最大綜合應力：σm=|τvy|=56.497 MPa≤160，滿足。

(4)為分析檢修層鋼架對原結構造成影響，應用盈建科軟件，把檢修層按層間梁模型近似建模到原結構模型內。復核對比結果如表3所示。

表3 原結構與增加檢修層模型的參數比較表

從表3數據中可以看出來，當鋼架檢修層參與抗震計算后，對整體模型產生有利作用，在地震工況下，鋼架層在觀眾廳半空類似增加結構夾層，產生一定平面剛度，水平地震力可以通過鋼架傳遞。各項參數均有改善，鋼架不會獨立搖晃振動，與原結構共同變形，可提高連接支座處框架柱的整體穩定性。為不把梁端彎矩傳遞給原結構，鋼梁與原框架柱連接處設置鉸支座，梁端支座節點如圖8所示。

圖8 鋼梁支座節點

(5)鋼架整體外型貼合裝修吊頂造型布置平面，周邊設置封邊梁與墻體緊密結貼合，在主體建筑框架柱位置設鉸接支座。豎向空間上，利用延長吊桿的方式，把聲橋與音橋同鋼架整合，抬高聲橋檢修通道高度(圖9)。在鋼架下部直接吊掛GRG造型吊頂，照明燈具，下層消防管支管,緊臨聲橋前方1 m范圍鋼架下方布置左中右三組大型揚聲器。鋼架上層布置馬道、送回風管、消防主支管。為防止風管無法安裝，吊桿應與風管進行避讓碰撞檢查(圖10)。暖通風管采用減震抗震支吊架，消防主管采用減震支座等措施減少設備振動對聲光效果影響。

圖9 檢修層橫斷面

圖10 吊桿與風管相對位置示意圖

5 結論

綜上所述，對大空間鋼結構設備檢修層改進設計思路如下：

(1)鋼架布置造型應結合現場實際情況，最大節約吊頂內部凈空，加大建筑凈高，同時便于安裝設備及布置檢修通道。

(2)鋼架設計應明確各專業的需求荷載，對各區域局部荷載進行細分布置。

(3)新增加的檢修層以保護原結構為前提，優化結構體系盡量減輕整體重量，提高自身安全性，做到與原結構協調變形，同時兼顧節約施工周期。

(4)鋼架吊桿應固定在原結構屋面梁上，有條件可事先預埋，若要后置化學錨栓，應避免固定在預應力梁上。鋼梁梁端支座應固定在周邊結構梁上，若無法固定應做封邊鋼梁，封邊梁固定在同方向的框架柱上。

該工程現已完工，在設備運行過程中，各項指標檢測合格，屋面鋼桁架撓度觀測均滿足規范要求。

本文對大空間鋼結構設備檢修平臺設計思路提出一點淺見，供大家對類似工程做個參考。