某室內(nèi)水樂園大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)

廖昉，馬悅，周鑫，梁濤

（1重慶城市綜合交通樞紐（集團(tuán)）有限公司，重慶 400039；2中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400025）

1 工程概況

某工程位于貴州省畢節(jié)市赫章縣境內(nèi)，為溫泉大棚項(xiàng)目，主體結(jié)構(gòu)由大小兩個(gè)橢圓組成。由于溫泉大棚內(nèi)功能較復(fù)雜，需要開敞的大型無柱空間，且對天然采光照明等要求較高，故建筑選用現(xiàn)代風(fēng)格，通透明亮，富有時(shí)代感與科技感，功能與形式完美結(jié)合。結(jié)合建筑設(shè)計(jì)概念，結(jié)構(gòu)形式采用了立體桁架體系，最大跨度61.5 m，結(jié)構(gòu)高度25.5 m，大棚內(nèi)為泳池設(shè)施和設(shè)備機(jī)房等，屬于A級高度的高層建筑，嵌固端為基礎(chǔ)頂面。該工程的建筑外觀如圖1所示，施工現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場施工圖（2018年5月）

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45s。

基礎(chǔ)持力層為碎石土，埋深為4.3 m，地下水平均水頭為1.6m。為適應(yīng)后期內(nèi)部設(shè)施改造要求，基礎(chǔ)采用整體筏板，普通位置為600mm厚，鋼結(jié)構(gòu)桁架柱腳處為1500mm厚。筏板基礎(chǔ)整體性好，基礎(chǔ)剛度大，由于頂部反壓了2.8m厚填土，故能同時(shí)滿足抗浮要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 結(jié)構(gòu)布置

鋼結(jié)構(gòu)采用9榀倒三角立體主桁架單元，跨度從33.6 m至61.5m，每榀間距為15m，柱腳為固定鉸支座；腰部設(shè)置兩道環(huán)形桁架，分別設(shè)置在離地9.0m和16.0m高處，兩端設(shè)置斜向穩(wěn)定桁架與環(huán)形桁架相連；入口門廳空間桁架跨度為40.3m。大球及小球面位置次桁架為斜交平面桁架，以增加平面內(nèi)穩(wěn)定性；兩球相連的位置用三榀橫向桁架相連。結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)屋面主結(jié)構(gòu)布置圖

主桁架主要尺寸為2m寬，根據(jù)跨度不同設(shè)置2～2.6m高倒三角形立體桁架，典型上弦桿截面尺寸為Φ351×20，典型下弦桿截面尺寸為Φ351×35，典型腹桿尺寸為Φ133×12?？臻g主桿件全部采用Q345B強(qiáng)度鋼管，結(jié)構(gòu)透視圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)透視圖

2.2 結(jié)構(gòu)模型的建立

為適應(yīng)非線性建筑外形，傳統(tǒng)的根據(jù)建筑剖面的建模方式很難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全貼合建筑表皮，且工作量大又容易出錯。根據(jù)筆者的多層探索，采用犀牛軟件對建筑表皮進(jìn)行空間采樣，然后結(jié)合抽離出來的空間線段導(dǎo)入3D3S進(jìn)行空間桁架建模。從圖4的結(jié)構(gòu)透視圖中可以看出，空間桁架的兩根上弦桿高度不同，導(dǎo)致局部構(gòu)件較為不規(guī)則，但這樣的建模方式能完全實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件緊貼建筑外皮，達(dá)到建筑預(yù)期的效果。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件

3.1 風(fēng)荷載取值

該工程處于高山地區(qū)，風(fēng)荷載作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載，根據(jù)規(guī)范基本風(fēng)壓0.35kN/m2（重現(xiàn)期100年），地面粗糙度類別B類。由于本建筑外形為非線性建筑，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 5009-2012）[1]中不能查到準(zhǔn)確的體形系數(shù)，為了更加準(zhǔn)確地分析建筑表面的風(fēng)壓分布，本文利用Transition-SST模型，結(jié)合顧磊、張默、黃瀅等[2-4]的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以工程軟件ANSYS分析了風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響。

該工程用犀牛曲面軟件擬合還原了建筑模型，通過導(dǎo)入ANSYS-Structural完成了風(fēng)場范圍的建模和網(wǎng)格劃分工作。然后將模型及有限元網(wǎng)格導(dǎo)出為通用格式，在ANSYS-Fluent中定義了速度進(jìn)口邊界條件Velocity-inlet和壓強(qiáng)出口邊界條件Pressure-outlet，編寫腳本文件導(dǎo)入了隨高度變化的入射風(fēng)場，完成了該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載有限元分析。

當(dāng)風(fēng)荷載從建筑側(cè)向以90度角吹向結(jié)構(gòu)時(shí)，在出射方向的建筑側(cè)面產(chǎn)生了風(fēng)吸。由于建筑整體高度不高，且周圍地勢平坦，所以在高度方向上的風(fēng)速變化不明顯。該角度的風(fēng)荷載風(fēng)壓和風(fēng)速云圖如圖5所示。

圖5 側(cè)向風(fēng)荷載風(fēng)壓和風(fēng)速云圖

當(dāng)風(fēng)荷載從建筑正向以0度角吹向結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)過計(jì)算所得到的分析結(jié)果云圖如圖6所示。

圖6 正向風(fēng)荷載風(fēng)壓和風(fēng)速云圖

從圖6中可以看到，建筑體型對風(fēng)荷載的影響較為明顯。在鋼結(jié)構(gòu)最高處，風(fēng)荷載的風(fēng)速較大，應(yīng)在設(shè)計(jì)荷載取值時(shí)予以體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)在出射方向的風(fēng)吸作用不明顯。迎風(fēng)面為正壓，平均風(fēng)壓在0.20～0.33kN/m2之間，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.39，計(jì)算分析小于規(guī)范。偏于安全考慮，采用規(guī)范值進(jìn)行計(jì)算。采用前后左右四個(gè)方向輸入風(fēng)吸和風(fēng)壓，并與地震工況、溫度工況進(jìn)行組合計(jì)算。

3.2 雪荷載取值

該工程為大跨度結(jié)構(gòu)，按荷載規(guī)范屬于對雪荷載敏感的建筑，基本雪壓按100年一遇取值，并考慮山區(qū)雪荷載系數(shù)后為0.3×1.2=0.36kN/m2。在建筑物表面的凹進(jìn)區(qū)域，考慮不均勻分布情況雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為Sk=0.36×2.0=0.72kN/m2。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值分布示意圖如圖7所示。

圖7 雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值分布示意圖

3.3 溫度作用

鋼結(jié)構(gòu)溫度計(jì)算以預(yù)計(jì)合攏溫度10℃為基準(zhǔn)，根據(jù)我國規(guī)范，當(dāng)?shù)刈畹蜑?4℃，最高為30℃，計(jì)算按照降溫-15℃和升溫30℃兩個(gè)工況參與進(jìn)行組合計(jì)算。

3.4 地震作用

該工程設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防分類為丙類，設(shè)計(jì)基本加速度為0.50g，地震影響系數(shù)最大值為0.04，場地類別為Ⅱ類，多遇地震下阻尼比取0.03。該工程定義了X向，Y向，Z（豎向）、斜交45度[5-6]。

4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，采用了3D3S和SAP2000軟件分別進(jìn)行了整體分析并進(jìn)行對比。從計(jì)算結(jié)果可以看到，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果接近。分析結(jié)果按恒載、活載、不利活荷載布置、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載、地震作用進(jìn)行組合，取不利結(jié)果進(jìn)行后期設(shè)計(jì)。

4.1 周期及振型

第一階振型為短向平動，T1=1.27s，處于基本合理的范圍，第二階振型為長向平動，T2=1.05s，第三階振型為扭轉(zhuǎn)，Tt=0.85s，周期比為Tt/T1=0.67，從結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果可以看出結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度。結(jié)構(gòu)前兩階振型圖如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)前兩階振型圖

4.2 結(jié)構(gòu)變形

通過前期結(jié)構(gòu)布置分析發(fā)現(xiàn)，腰部的兩道桁架對結(jié)構(gòu)的整體剛度和各榀桁架的協(xié)調(diào)工作影響較大，經(jīng)過多次分析計(jì)算，將原方案中的三角形桁架優(yōu)化為矩形空間桁架，并增加了跨度較大的幾個(gè)桁架附近桿件的截面。在1.2恒載+1.4風(fēng)荷載作用下，原方案結(jié)構(gòu)最大水平位移為231 mm，D/H=1/118（位移角），加強(qiáng)腰桁架后結(jié)構(gòu)最大水平位移為56 mm，D/H=1/486（位移角），滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2014）[7]要求。

結(jié)構(gòu)1.0在恒載+1.0活載工況下，最大豎向撓度為72.1 mm，出現(xiàn)在對大跨度主桁架中點(diǎn)位置，為對應(yīng)跨度的1/852，滿足《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7-2010）[8]中的限制1/250。

結(jié)構(gòu)的變形分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)整體剛度合理。

4.3 線性屈曲分析

該工程為拱形桁架結(jié)構(gòu)，需要對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以保證結(jié)構(gòu)的安全。對3種典型工況進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。第一階失穩(wěn)的位置均出現(xiàn)平面次桁架位置，3個(gè)工況前6個(gè)屈曲模態(tài)都沒有出現(xiàn)主桁架失穩(wěn)的情況，具體屈曲特征值詳見表1。所有特征值均滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中大于4.2的要求，證明結(jié)構(gòu)整體具有良好的穩(wěn)定性，在后期設(shè)計(jì)中考慮增加檁條提高次桁架的穩(wěn)定性。

表1 結(jié)構(gòu)整體屈曲分析結(jié)果

4.4 典型主桁架設(shè)計(jì)結(jié)果

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，桁架兩端的桿件內(nèi)力明顯大于中間桿件。故將端部桿件截面加大，往上逐步減小桿件截面，有效經(jīng)濟(jì)地利用材料。結(jié)構(gòu)兩側(cè)桁架跨度較小，桿件內(nèi)力也較小，通過多次計(jì)算調(diào)整，反復(fù)調(diào)整桿件的截面。

典型主桁架桿件截面設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。小震設(shè)計(jì)應(yīng)力比限值取0.8，經(jīng)過驗(yàn)算所有桿件均能滿足承載力和穩(wěn)定性要求。中震設(shè)計(jì)時(shí)支座桿件應(yīng)力比控制在0.9以內(nèi)，滿足中震彈性性能目標(biāo)。

表2 典型主桁架桿件截面

4.5 典型支座設(shè)計(jì)

支座設(shè)計(jì)時(shí)采用最不利組合包絡(luò)設(shè)計(jì)。取跨度為61.5m最大跨桁架的兩個(gè)典型支座反力進(jìn)行分析，最大軸力Nz=3583kN，對應(yīng)的荷載組合為1.2恒載+1.4活載+0.84升溫，最大水平方向反力為Ny=1311kN，對應(yīng)的荷載組合為1.2恒載+0.98活載+0.84左風(fēng)+1.4升溫。

主桁架支座采用抗震球形支座，支座按中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)。對球形支座增加了兩道22mm厚水平肋板和十字縱向肋板進(jìn)行加強(qiáng)。主桁架支座均采用固定鉸支座，支撐在混凝土框架柱上，并設(shè)置剪力墻抵抗水平力。典型支座示意圖如圖9所示。

圖9 典型支座圖

5 結(jié)語

本文介紹了一處位于高山地區(qū)的非線性建筑大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，描述了非線性建筑的結(jié)構(gòu)建模方法，并且由于非線性建筑風(fēng)荷載、雪荷載的取值沒有規(guī)范可以參照，本文重點(diǎn)提出了解決這種非線性建筑荷載取值的方法。結(jié)合風(fēng)荷載、雪荷載及地震等作用的組合計(jì)算，對結(jié)構(gòu)的自振特性、結(jié)構(gòu)變形和線性屈曲等進(jìn)行了驗(yàn)算，有效地保證了結(jié)構(gòu)的整體安全。本文介紹的結(jié)構(gòu)分析方法對類似工程具有一定的指導(dǎo)作用。