智慧城市生活體驗館鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分析研究

摘 要：【目的】針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁柱轉(zhuǎn)換關(guān)鍵節(jié)點、超長結(jié)構(gòu)樓板溫度裂縫等問題，對智慧城市生活體驗館進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分析研究。【方法】基于關(guān)鍵節(jié)點的數(shù)值模擬、超長混凝土溫度控制技術(shù)對超長混凝土樓板升溫降溫進行模擬分析。【結(jié)果】結(jié)果表明：本研究提出的大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁柱轉(zhuǎn)換關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造加強措施方案科學合理，超長結(jié)構(gòu)樓板溫度裂縫控制措施在實踐中能有效降低溫度裂縫的出現(xiàn)。【結(jié)論】本研究為同類鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；大跨度轉(zhuǎn)換梁；溫度裂縫控制

中圖分類號：TU391" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0090-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.018

Analysis and Research on Steel Structure Design of Smart City Living Experience Museum

ZHAO Yong SUN Jiajia

（Anhui Huanyu Architectural Design Institute，Hefei" 230051，China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the key nodes of beam-column conversion of large-span steel structure and the temperature cracks of super-long structural floor， the steel structure design of smart city life experience pavilion was analyzed. [Methods] Based on the numerical simulation analysis of key nodes and the temperature control technology of super-long concrete， the temperature rise and cooling of super-long concrete floor were simulated and analyzed. [Findings] The results show that the scheme of structural strengthening measures for key joints of beam-column transfer of long-span steel structure proposed in this study is scientific and reasonable. The temperature crack control measures of super long structure floor can effectively reduce the occurrence of temperature cracks in practice.[Conclusions] This study provides a technical reference for the design of similar steel structures.

Keywords：steel structure; long-span transfer beam; temperature crack control

0 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)公共建筑數(shù)量的日益增多，無論是經(jīng)濟效益，還是環(huán)保效益，相較于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)均具有明顯優(yōu)勢，但因建筑方案設(shè)計要求不斷提高，更多的超長結(jié)構(gòu)、復雜建筑外觀造型結(jié)構(gòu)面臨著溫度應(yīng)力控制、平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則等問題。如何有效解決超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力裂縫控制問題，復雜鋼結(jié)構(gòu)抗震加強措施成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中重要的研究課題。通過設(shè)計實踐以及緊密結(jié)合智慧城市生活體驗館鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計實例，本研究提出一些可行的超長結(jié)構(gòu)樓板設(shè)計方案、大跨度鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁節(jié)點的加強措施，為同類鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計提供借鑒［1］。

1 工程概況

本研究以北京城房·亳州歡樂世界——智慧城市生活體驗館項目為案例，該項目位于亳州市譙城區(qū)神農(nóng)大道與紫苑路交叉口西南側(cè)，建筑總高約21 m，局部有地下室，地上四層，1層層高為5.7 m，2層及以上標準層層高5.1 m，結(jié)構(gòu)采用鋼框架（局部有中心支撐）體系，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)；工程設(shè)計使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，建筑耐火等級為二級，基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。建筑場地類別為Ⅲ類，場地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速值為 0.10g，該場地地震動峰值加速度αmax調(diào)整系數(shù)Fa為1.25。設(shè)計特征周期取0.55 s，設(shè)計地震分組為第二組。智慧城市生活體驗館概況見表1。智慧城市生活體驗館實景如圖1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)體驗館設(shè)計特點和加強措施

北京城房·亳州歡樂世界——智慧城市生活體驗館為多層公共建筑，建筑形體上就像海上的一艘巨型游艇（船頭傾斜角度約60°），長×寬為104 m×44 m；船頭一、二層區(qū)域中間形成約700 m2挑空中庭；三、四層主體結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)構(gòu)件又落在二層頂部的大跨轉(zhuǎn)換梁上；建筑屋頂增加尾部出挑約15 m的造型鋼結(jié)構(gòu)桁架；其特殊的象形形體需求、樓板不連續(xù)、豎向抗側(cè)構(gòu)件不連續(xù)、船頭局部斜柱給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了較大的挑戰(zhàn)。針對該建筑的功能特點、節(jié)能綠色環(huán)保需求，其整體結(jié)構(gòu)方案最終選用鋼框架結(jié)構(gòu)體系（含局部中心支撐）；在初步確定該象形建筑多層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案后，經(jīng)過PKPM軟件計算和結(jié)構(gòu)概念分析判斷，該結(jié)構(gòu)存在四個不規(guī)則項，分別為：①規(guī)則建筑考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比1.04（X）/最大層間位移比1.21（Y）；②二層結(jié)構(gòu)樓板開洞面積26%，有效樓板寬度小于該樓層典型寬度的50%；③豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)（9軸/C軸、9軸/D軸、10軸/C軸、10軸/D軸鋼柱在三層（10.8 m）通過大跨度轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換）；④局部有斜柱，存在局部不規(guī)則。

因生活體驗館主體鋼結(jié)構(gòu)具有四個不規(guī)則項，故該鋼結(jié)構(gòu)建筑為特別不規(guī)則多層建筑，通過組織召開鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)則性專家論證會，聽取專家的建議：①明確性能目標，補充關(guān)鍵構(gòu)件的中震彈性設(shè)計；②進一步調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使兩個方向動力特性接近；③補充樓蓋應(yīng)力分析，合理選取地震波，完善大震分析；④對大跨轉(zhuǎn)換構(gòu)件等重要構(gòu)件采取加強措施；⑤進一步完善關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計和計算分析。針對本工程超限情況及計算分析的結(jié)果，在設(shè)計中采取以下措施保證本結(jié)構(gòu)的抗震性能［2-3］。

該結(jié)構(gòu)縱向長度97.8 m，未設(shè)溫度變形縫，針對樓板可能存在的溫度裂縫做了專門的分析計算，為防止超長樓板因溫度影響造成的裂縫，采用了鋼筋桁架樓承板裂縫控制技術(shù)（摻鋼纖維、大面積混凝土采用跳倉法施工）。因該建筑樓板超長且未設(shè)置后澆帶，采取跳倉法的施工措施，早期對混凝土應(yīng)力盡量釋放，并在框架柱周邊設(shè)置樓板加強鋼筋，后期利用混凝土自身及鋼纖維的抗拉能力來最大程度防止（限制）混凝土的裂縫［4］（鋼纖維摻量取20～25 kg/m3，0.8%～1.0%的最佳鋼纖維摻量，樓板施工完成后實際整體效果較好。

針對薄弱部位及重要構(gòu)件、節(jié)點采取比規(guī)范更嚴格的構(gòu)造要求，如9軸28.6 m大跨度托柱轉(zhuǎn)換鋼梁，按照轉(zhuǎn)換梁地震內(nèi)力調(diào)整，系數(shù)取1.8進行構(gòu)件設(shè)計，并根據(jù)罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果及節(jié)點有限元分析，有針對性地對構(gòu)件節(jié)點部位進行構(gòu)造加強，提高結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震能力。對大開洞周邊連廊連接樓板、豎向轉(zhuǎn)換柱區(qū)域樓板采取加強措施，樓板的厚度不小于 200 mm，并按雙層雙向配筋，且每個方向的配筋率不小于0.25%，確保在地震過程中樓板能夠有效傳遞樓層剪力，提高其結(jié)構(gòu)的整體抗震性能［2］。屋頂造型鋼結(jié)構(gòu)桁架參與主體鋼結(jié)構(gòu)整體計算，計算考慮主體結(jié)構(gòu)與屋頂構(gòu)架相互作用的影響，并針對支座生根位置做節(jié)點構(gòu)造加強。

3 體驗館鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計方案及數(shù)值模擬分析

3.1 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計方案

智慧生活體驗館三層大跨度轉(zhuǎn)換梁上起柱關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計尤為重要，其中三層28.6 m大跨度鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁上起柱的復雜關(guān)鍵節(jié)點大樣的設(shè)計方案如圖2所示。

因為該復雜鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點對整個智慧生活體驗館鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量有著較大的影響，根據(jù)梁柱節(jié)點大樣設(shè)計方案，以ABAQUS有限元分析軟件為平臺建立有限元模型，對大跨度轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點區(qū)域應(yīng)力的分布進行有限元數(shù)值模擬分析來指導、支撐項目的設(shè)計，保證復雜節(jié)點局部穩(wěn)定和安全［3］。

3.2 關(guān)鍵節(jié)點數(shù)值模擬分析

ABAQUS有限元分析軟件具有豐富的材料模型庫和單元庫，不但可以模擬簡單的線性分析問題，而且可以模擬較復雜的非線性問題［5］，可以自動選擇合適的荷載增量法和收斂法。

鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)屬于均勻性、各向同性的均勻形變材料，在彈性應(yīng)變區(qū)間具有良好的線性[σ—ε]關(guān)系，但在應(yīng)力超過材質(zhì)屈服值后，[σ—ε]關(guān)系呈非線性關(guān)系，且形變不可恢復。

本研究采用簡化的雙折線本構(gòu)關(guān)系模型作為節(jié)點有限元分析中鋼材屬性的模擬分析依據(jù)，在軟件中選用材料力學中第四強度理論（Von Mises屈服準則）自動生成鋼材的三維本構(gòu)關(guān)系［4］，如圖3所示。當鋼材的應(yīng)力達到屈服強度[fy]后，鋼材進入塑性強化段，之后鋼材的應(yīng)力會隨應(yīng)變的增加繼續(xù)增加，但增長速率較彈性段減小。

對復雜鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點進行有限元建模，具體步驟如下。

①在Part（部件）模塊中，對節(jié)點設(shè)計方案對象的幾何尺寸創(chuàng)建各板件的組成部件。在ABAQUS有限元軟件中選擇三維可變形殼體定義鋼板。②創(chuàng)建材料和截面屬性。在Property模塊中定義Q355B鋼材的材料性能，其本構(gòu)關(guān)系采用簡化的雙折線本構(gòu)模型。③定義裝配件。在Assembly模塊中，匹配各部件拼接的幾何位置相對關(guān)系，將鋼板加勁肋、鋼柱及轉(zhuǎn)換梁等部件實例化，裝配形成整體模型。④設(shè)置分析步。在Step模塊中，按該梁柱節(jié)點在工程中位置、工況加載的過程設(shè)置兩個分析步。在初始分析步initial中設(shè)置模型的邊界約束條件；在step-1分析步中添加施加面上的荷載，對各個分析步創(chuàng)建場輸出、歷程輸出。⑤定義施加荷載與邊界約束條件。在Load模塊中，在initial分析步下設(shè)置約束邊界條件，在step-1分析步中，提取YJK中桿件模型采集的桿件內(nèi)力值轉(zhuǎn)化成桿件上的面荷載施加在作用面上。⑥劃分網(wǎng)格。在Mesh模塊中對各部件進行網(wǎng)格劃分，鋼板采用四節(jié)點有限模應(yīng)變線性減縮積分殼單元，并進行沙漏的控制。⑦在Job模塊中創(chuàng)建新的作業(yè)Job，設(shè)置模型數(shù)據(jù)后進行計算［5］。⑧可視化后處理。在Visualization模塊中查看節(jié)點模擬分析的結(jié)果，得到預定目標數(shù)據(jù)并分析所關(guān)注的應(yīng)力云圖、變形云圖如圖4至圖8所示。

基于YJK整體模型中鋼結(jié)構(gòu)梁柱復雜關(guān)鍵節(jié)點中各個桿件內(nèi)力數(shù)值，從有限元分析模擬分析結(jié)果來看，梁柱節(jié)點柱腳鋼板拐角處節(jié)點應(yīng)力集中達到最大的340.5 MPa，但是仍然未達到鋼材自身的屈服應(yīng)力，且各個構(gòu)件板件連接區(qū)域其應(yīng)力均大于周圍母材其他區(qū)域，特別是鋼柱中縱隔板位置的應(yīng)力情況極為明顯，比周圍區(qū)域應(yīng)力更加集中，各部分板件應(yīng)力數(shù)值大多在153～345 MPa之間，節(jié)點應(yīng)力與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求相一致。整合處理所建立模型的有限元分析結(jié)果，在實際設(shè)計節(jié)點構(gòu)造時，可在鋼柱柱底部設(shè)置能夠起到加強節(jié)點構(gòu)造作用的加勁肋，確保梁上起柱關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計合理性。此外，鑒于對智慧生活體驗館鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位特殊性的綜合考慮，可適當增添支撐構(gòu)件，進一步增強整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

另外，智慧生活體驗館關(guān)鍵部位鋼結(jié)構(gòu)防火性也非常重要。根據(jù)關(guān)鍵部位所需要防護構(gòu)件性質(zhì)，需要采取針對性防護措施，如選擇耐火鋼、防火保護等，確保體驗館鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)計質(zhì)量無任何問題［6］。

4 結(jié)論

通過對北京城房·亳州歡樂世界——智慧城市生活體驗館項目中設(shè)計重點、難點進行實例分析，在不影響建筑使用功能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，除了進行設(shè)計常規(guī)的計算分析外，重點對三層大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁柱轉(zhuǎn)換關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造加強提出了措施方案，對節(jié)點數(shù)值模擬分析提供數(shù)據(jù)支持。另外，對超長結(jié)構(gòu)樓板溫度裂縫控制進行了計算分析，提出避免或限制樓板溫度裂縫出現(xiàn)和增加的加強措施。本研究解決了在該項目設(shè)計上的關(guān)鍵技術(shù)難題，并指導該項目施工工作，保證了建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，為同類工程設(shè)計施工提供了借鑒。

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