某大跨度展覽中心結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化比選及難點(diǎn)分析

許紹軍

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

在目前復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，尤其是針對(duì)大跨度建設(shè)，需要對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且在具體應(yīng)用過(guò)程中靈活性較高，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案分析優(yōu)化對(duì)比，才能夠使其實(shí)際使用效果更加良好。

1 工程概況

某展覽中心項(xiàng)目，本建筑為多層建筑，功能主要為展覽展示、研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)辦公、會(huì)議、輔助性用房等。地上二層，一層為大空間展示中心，層高13.2 米，跨度29 米，13.2 米層高范圍局部有兩個(gè)錯(cuò)層（層高分別為4.2 米，3.9 米和5.1 米），二層層高7.8米，展示中心跨度29 米。本展示中心荷載取值較大，一層活載取值10kN/m2，二層活載5kN/m2，場(chǎng)地基本地震烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，抗震設(shè)防類別為乙類，基本風(fēng)壓0.45kN/m2基本雪壓0.3kN/m2。中間柱距29 米大跨度展廳，四周為辦公及輔助用房及樓梯等公共空間，該建筑平面長(zhǎng)度153.6 米，寬90.5 米，建筑中心為展示展覽中心大跨度，大空間，層高13.2 米，跨度29 米，四周為輔助用房，13.2 米層高內(nèi)兩層夾層，柱距9.6 米。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，該結(jié)構(gòu)屬于體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式，由于大空間及錯(cuò)層影響，在地震作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剪切作用明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)受力極為不利，[1]為此在展示空間部分結(jié)構(gòu)形式選擇極為重要，既要保證自身強(qiáng)度、穩(wěn)定、撓度要求，同時(shí)也要能和主體框架協(xié)調(diào)工作，受力合理。由于二層荷載較大，二層活載5kN/m2，樓板為壓型鋼板組合樓板，擬采用H 型鋼桁架，管桁架作為大空間主要受力構(gòu)件，桁架與柱子剛接為宜，屋面結(jié)構(gòu)因荷載比較小，不上人屋面，可采用變截面梁或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為主受力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)形式的最終確定需要進(jìn)一步做分析優(yōu)化對(duì)比。

2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

2.1 主體結(jié)構(gòu)選型

本工程結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，首層層高13.2 米，四周夾層分部在13.2 米層高之間，形成局部錯(cuò)層，造成豎向剛度不連續(xù)，結(jié)構(gòu)關(guān)系示意詳見(jiàn)圖1 所示。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的任務(wù)就是要避免結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形。二層層高7.8 米，中間展示中心功能為展覽展示，柱距29 米，屋面層結(jié)構(gòu)標(biāo)高21 米，整體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

圖1 中間大空間桁架與周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置關(guān)系示意圖（局部）

2.2 大跨結(jié)構(gòu)選型

本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是跨度大，最大跨度29 米，荷載大，大跨度展示中心位置為正常使用樓面，需要做現(xiàn)澆樓面，使用活載5kN/m2。結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，中間展示中心層高13.2 米，四周夾層分部在13.2 米層高之間，形成局部錯(cuò)層，造成豎向剛度不連續(xù)。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的任務(wù)就是要避免結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形，由于大空間面積較大，層高較高，大空間結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量及縱向剛度很大，具有限制主體結(jié)構(gòu)側(cè)移變形的潛力[2]，因此首先考慮大空間結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)。

鋼桁架上下弦桿及鋼框架梁兩端均與主體結(jié)構(gòu)鋼柱采用剛接連接，整體性更好，既避免了地震作用下出現(xiàn)強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)，又保證了桁架自身的強(qiáng)度與剛度，避免跨中出現(xiàn)較大撓度。初步擬定大空間范圍采用桁架結(jié)構(gòu)，屋面采用變截面梁，梁端截面變高，中間段高度變小，形成拱形型梁，保證了梁自身的強(qiáng)度與剛度，避免跨中出現(xiàn)較大撓度，微拱造型更美觀大方，滿足建筑需求。

2.3 樓面體系

普通樓層樓板，為增加鋼框架的側(cè)向剛度，各層樓面均采用鋼梁+組合樓蓋體系（非組合型），樓面鋼梁兩端均與縱向鋼框架梁采用鉸接連接，各層樓面荷載先傳給樓面梁，通過(guò)樓面梁傳遞給縱向框架梁。

桁架區(qū)域，為增強(qiáng)鋼框架的側(cè)剛向度，樓面均采用均采用鋼梁+組合樓蓋體系（非組合型），樓面鋼梁兩端均與桁架采用鉸接連接，樓面荷載先傳給樓面梁，通過(guò)樓面梁傳遞給縱向桁架。

2.4 地下結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目首層為主要展示空間，大型展覽均放在首層，首層活載10kN/m2，普通小型貨車能直接進(jìn)出展廳進(jìn)行裝載及拆卸。考慮荷載較大，地下一層采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土樓板，主次梁結(jié)構(gòu)形式，地下柱距控制在8.9 米跨度，地上大空間29 米跨度柱距在地下一層中間加柱子均分，形成均勻柱跨，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

3 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化比選及難點(diǎn)分析

3.1 二層大空間結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化比選

3.1.1 H 型鋼作為桁架構(gòu)件

大跨度結(jié)構(gòu)方案擬選定為桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)與柱子采用剛接連接，增強(qiáng)側(cè)向剛度。設(shè)計(jì)工程中對(duì)H 型鋼桁架和圓管桁架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比分析，通過(guò)計(jì)算軟件盈建科2.0.3 進(jìn)行整體計(jì)算，桁架部分采用3D3S14.1 進(jìn)行建模分析，并拼裝進(jìn)主體結(jié)構(gòu)合模進(jìn)行整體分析。

首先采用H 型鋼作為桁架弦桿和腹桿進(jìn)行試算[3]，因場(chǎng)地類別為三類場(chǎng)地，8 度抗震設(shè)防，且展覽作為人流密集場(chǎng)所，按照建筑分類設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求，屬于乙類建筑，高烈度下H 型鋼截面相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，高厚比，寬厚比均應(yīng)滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，因此出現(xiàn)板件較厚，靠近柱的桁架桿件截面厚度達(dá)到45mm，且僅僅桁架部分含鋼量達(dá)到1200 噸。

3.1.2 圓管作為桁架構(gòu)件

管桁架由于自身構(gòu)件的特殊性，平面外穩(wěn)定更容易控制，板件厚度相對(duì)H 型鋼要小很多，總體桁架部分含鋼量為720 噸，遠(yuǎn)小于H 型鋼桁架含鋼量。綜合施工成本，管桁架加工費(fèi)比H 型鋼桁架略高一些，但管桁架為相貫焊接，沒(méi)有螺栓，線條美觀，更能滿足建筑造型需求，無(wú)需吊頂即可帶來(lái)結(jié)構(gòu)美感，故選擇管桁架作為大空間主結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)約成本，美觀大方，使用方便的效果[4]。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)分析及節(jié)點(diǎn)處理

3.2.1 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化對(duì)比，本項(xiàng)目大跨度部分采用平面鋼管桁架，橫向和縱向交錯(cuò)布置，確保桁架平面外的穩(wěn)定。

管桁架在外型尺寸的選擇上，根據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范推薦值，可以參考桁架的上下弦桿間距取總跨度的1/20～1/30，管桁架的高度取總跨度的1/12～1/16，矢高可取跨度的1/3～1/6，弦桿和腹桿之間的夾角不宜小于30。

2.管桁架是指用圓管桿件在端部相互連接構(gòu)成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)開(kāi)口截面（H 型鋼和I 字鋼）鋼桁架相比，管桁架結(jié)構(gòu)截面材料繞中和軸分部較均勻，截面具有更好的抗壓和抗彎承載能力及穩(wěn)定性，相貫焊接，無(wú)需節(jié)點(diǎn)板，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

在創(chuàng)建管桁架模型時(shí)，本項(xiàng)目整體計(jì)算采用盈建科2.0.3 進(jìn)行整體計(jì)算，桁架部分采用3D3S14.1 進(jìn)行建模分析，桿件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)按基本組合作用的效應(yīng)確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

對(duì)抗震設(shè)計(jì)，地震組合的效應(yīng)按GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 版）考慮相關(guān)抗震調(diào)整系數(shù)后計(jì)算。

對(duì)非抗震設(shè)計(jì)作用及作用組合的效應(yīng)按GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，對(duì)位移驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的效應(yīng)來(lái)確定撓度。

3.2.2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處理

1.單榀管桁架相貫節(jié)點(diǎn)通常在主管和噴嘴之間使用橫向接頭，也稱為橫向結(jié)。通常，節(jié)點(diǎn)損壞很容易導(dǎo)致桿失效，并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。相交節(jié)點(diǎn)也是該結(jié)構(gòu)的高能耗部分，因此，相交組件的設(shè)計(jì)非常重要，并且對(duì)焊縫的要求也相對(duì)較高，公共集管和主管必須通過(guò)完全角焊連接。如果噴嘴的壁厚較大（t ≥6mm），則建議在噴嘴的周圍使用對(duì)接焊縫和幾次角焊縫。所有類型的焊縫都必須具有凹槽，其形狀取決于噴嘴的壁厚和焊縫的位置。如果噴嘴的壁厚小于6mm，則無(wú)法切割凹槽，角焊腳的高度不得超過(guò)分支管壁厚的兩倍。

2.節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算是管桁架設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)規(guī)范》GB50017-2017 節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算要求：

一是節(jié)點(diǎn)極限承載力必須大于相應(yīng)軸力的絕對(duì)值。

二是支管與主管夾角不宜小于30 度。

三是角焊縫高度不應(yīng)大于支管壁厚的2 倍。

四是支管壁厚不應(yīng)大于主管壁厚。

五是支管外徑與主管外徑之比應(yīng)在0.2 到1 之間。

對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)支管軸力限值小于支管軸力，此時(shí)應(yīng)調(diào)整主管型號(hào)或采取構(gòu)造措施加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，通常通過(guò)計(jì)算加厚主管壁厚或節(jié)點(diǎn)貼鋼板，四面圍焊來(lái)補(bǔ)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合上文分析，在大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)其可能存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行合理探究，這樣才能夠?qū)@些問(wèn)題的根本原因進(jìn)行分析，以便對(duì)其進(jìn)行合理解決。在具體結(jié)構(gòu)探究方面，需要結(jié)合其設(shè)計(jì)過(guò)程以及各方面數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行討論，這樣能夠更加明確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決，進(jìn)而提高技術(shù)水平。