某金字塔形采光頂支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

徐 國(guó) 洲

(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

某建筑中央大廳頂部設(shè)置金字塔形玻璃采光頂，采光頂跨度40.8 m，錐面傾斜角度42°(見圖1)。下部支承結(jié)構(gòu)為一層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)一層地下室。根據(jù)建筑方案設(shè)計(jì)，采光頂錐面玻璃采用三角形分格，采光頂外部為鋼結(jié)構(gòu)裝飾構(gòu)架。

2 結(jié)構(gòu)選型

玻璃頂跨度約為40.8 m，幕墻玻璃由斜向相交的13條分割線將三角形錐面分割為數(shù)量眾多的菱形，再由橫向分割線將每個(gè)菱形分割為兩個(gè)三角形。支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合玻璃分格方式，在斜向相交的分割線上布置主要受力構(gòu)件，形成兩向斜交單層空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，底部支承與混凝土主體結(jié)構(gòu)屋面梁上，底部按鉸接設(shè)計(jì)。

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件截面通常為圓管、H型鋼或矩形鋼管。計(jì)算分析表明，采用H型鋼或矩形鋼管均可有效控制錐面撓度，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性；圓鋼管則不利于節(jié)約材料。結(jié)合結(jié)構(gòu)桿件面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度小、面外計(jì)算長(zhǎng)度大的特點(diǎn)，從構(gòu)件受力角度，采用H型截面最為合理，但考慮建筑裝飾效果要求及室內(nèi)環(huán)境日常圍護(hù)方便，設(shè)計(jì)時(shí)采用冷彎空心矩形鋼管。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)合上述結(jié)構(gòu)選型結(jié)論，設(shè)計(jì)時(shí)采用SAP2000v19.0.0建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及構(gòu)件截面驗(yàn)算(見圖2)。值得注意的是，玻璃頂支承結(jié)構(gòu)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需按圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算幕墻各錐面的風(fēng)荷載，風(fēng)荷載在幕墻表面并非均勻分布，邊角部位較大，設(shè)計(jì)還需考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部開啟造成的室內(nèi)風(fēng)壓影響[1-4]。結(jié)構(gòu)計(jì)算需在確保構(gòu)件滿足承載能力要求的前提下，校核結(jié)構(gòu)在恒載、活載及風(fēng)荷載作用下錐面產(chǎn)生的面外變形，使結(jié)構(gòu)滿足使用要求。根據(jù)強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比均較小(小于0.5)，構(gòu)件截面主要由結(jié)構(gòu)變形及構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比等構(gòu)造要求控制，截面尺寸為□150×500×10。

因采光頂為單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體屈曲分析，結(jié)果表明，恒載及活載作用下結(jié)構(gòu)第一階屈曲因子為40.0(見圖3)，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定承載力。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

玻璃頂錐面均為平面，桿件相交節(jié)點(diǎn)均設(shè)計(jì)為剛接節(jié)點(diǎn)，采用全熔透坡口對(duì)接焊縫連接，焊縫強(qiáng)度與母材等強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)處貫通桿件內(nèi)是否設(shè)置內(nèi)隔板(見圖4)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性均有較大影響，設(shè)置內(nèi)隔板，則節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)制更為直接、合理；不設(shè)內(nèi)隔板，則施工更加方便，具備更好的經(jīng)濟(jì)性。因此，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能受內(nèi)隔板的影響程度進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算時(shí)采用殼單元模擬矩形鋼管壁板。

計(jì)算結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)形式(是否增設(shè)內(nèi)隔板)對(duì)結(jié)構(gòu)變形無明顯影響，變形差異(小于1 mm)可以忽略。節(jié)點(diǎn)處殼單元最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5，圖6所示，取消內(nèi)隔板后，節(jié)點(diǎn)處鋼管壁最大應(yīng)力有明顯增大，但兩種節(jié)點(diǎn)形式下管壁應(yīng)力均未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故均可行。由于本工程桿件截面由結(jié)構(gòu)變形及構(gòu)造要求控制，承載力有較大富余，設(shè)計(jì)時(shí)采用了節(jié)點(diǎn)1所示構(gòu)造做法，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

該金字塔形玻璃采光頂支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工，建筑裝飾效果及室內(nèi)環(huán)境日常圍護(hù)方便等問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、風(fēng)荷載取值及計(jì)算分析，在確保安全的前提下簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，達(dá)到了相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果。