內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科技實(shí)驗(yàn)樓重型鋼桁架設(shè)計(jì)

文｜內(nèi)蒙古工大建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 朱喜榮

一、工程簡介

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科技實(shí)驗(yàn)樓，是一幢集科研、教學(xué)以及辦公于一體的綜合建筑?？萍紝?shí)驗(yàn)樓效果圖（如圖1）所示。該建筑由一個(gè)六層和兩個(gè)十層的單體及其連廊組成，平面呈U 型布置（如圖2），在九至十層U 型口處的兩個(gè)單體間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)連廊，形成高空連體結(jié)構(gòu)（如圖1），用于兩樓的連通及辦公。由于荷載較大，該連體結(jié)構(gòu)由兩榀跨度為36 米重型鋼桁架支撐，兩榀桁架間距為11.7 米，鋼桁架支撐于兩側(cè)主體牛腿上。鋼桁架高度為4.3 米，同九層層高，十層采用輕鋼結(jié)構(gòu)支承在九層的鋼桁架上。該鋼桁架采用人字式，桿件截面形式為焊接H 型鋼，節(jié)點(diǎn)形式為焊接，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345B。

二、設(shè)計(jì)思路

按照建筑要求，鋼結(jié)構(gòu)要外露，外立面要看到槽鋼的效果。由于這種建筑方案在本地區(qū)民用建筑尚屬首次，為此我們進(jìn)行了兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案比較。具體如下：

設(shè)計(jì)方案一：建筑面層做法為鋪地磚，因此九、十層樓面采用鋼筋混凝土樓面，由于距地高度較大（第九層距地30 米），同時(shí)為了使梁板連接的構(gòu)造簡單，在混凝土樓板下加設(shè)鋼板，鋼板與鋼梁焊接。為了加強(qiáng)混凝土樓板與鋼板的整體性，在鋼板上焊接短筋。桁架節(jié)點(diǎn)采用常規(guī)的節(jié)點(diǎn)板連接方式，為了滿足建筑的外立面效果，需要另加焊槽鋼（如圖3）。

上、下弦桿及端斜桿截面為焊接H400×400×30×30，其余腹桿截面為標(biāo)準(zhǔn)H400×400×15×21。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是從建筑使用上比較好，因?yàn)橛谢炷翗前?，地面可以采用常?guī)的地磚做法，樓板的整體剛度較好，使用過程中的振動(dòng)噪音較小，不需要設(shè)置隔音層。同時(shí)樓板良好的整體性也能夠滿足鋼桁架平面外支撐的作用；但自重很大，用鋼量較大，造價(jià)較高，施工比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)處需要有很大的節(jié)點(diǎn)板，影響感觀效果。

設(shè)計(jì)方案二：因?yàn)楸竟こ虨榻虒W(xué)樓，人員比較密集，鋼桁架承受上、中、下三層梁板傳來的荷載，因此，這種大跨重載結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的重要途徑是盡可能減輕結(jié)構(gòu)自重，基于這樣的認(rèn)識(shí)，提出設(shè)計(jì)方案二。建筑面層采用塑膠地板或其他輕質(zhì)地面，樓板采用鋼板，用豎肋加強(qiáng)，所有內(nèi)隔墻均采用鋼龍骨掛石膏板做法。這樣可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重，豎向地震作用相應(yīng)減小，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震也較有利。同時(shí)為了更加體現(xiàn)建筑外立面的美觀，將H 型鋼的槽口向外，典型節(jié)點(diǎn)詳圖如圖4。本工程設(shè)計(jì)最終采用了方案二。

圖1 科技實(shí)驗(yàn)樓效果圖

圖2 九至十層平面圖

根據(jù)新的荷載工況進(jìn)行計(jì)算，上、下弦桿及端斜桿截面為H400×400×16×22，其余腹桿截面為H300×300×10×15，為了減小自重，主鋼梁（GL-1 和GL-1a）采用蜂窩梁700x300x12x14，腹板上開邊長為200mm 正六邊形洞口，洞口凈距離為200mm。考慮到工程實(shí)際和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單，主鋼梁與桁架的連接采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接（如圖5）。為了保證桁架平面外的穩(wěn)定，布置適當(dāng)?shù)乃街魏痛怪敝危敲娼Y(jié)構(gòu)布置如圖6）。

由于本桁架跨度較大，而且按照建筑要求結(jié)構(gòu)要外露，呼和浩特市屬于北溫帶比較寒冷的地區(qū)，減小溫度應(yīng)力是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，結(jié)合《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)》，桁架和主鋼梁選用Q345B 鋼，在兩端支座設(shè)計(jì)上也充分考慮溫度變形的因素，將一側(cè)支座設(shè)計(jì)為橡膠支座（見圖7），另一側(cè)設(shè)計(jì)為滾軸支座（見圖8）。桁架支座底板錨拴孔為長圓孔。

由于取消了混凝土樓板，樓層隔音問題凸現(xiàn)，建筑上在樓層鋼板下增設(shè)了巖綿隔音層。

圖3

圖5

圖6

三、結(jié)論

經(jīng)過方案比較，最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足建筑使用要求，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑立面設(shè)計(jì)達(dá)到和諧統(tǒng)一。由于大幅度減輕荷載，使鋼桁架的用鋼量比設(shè)計(jì)方案一減少了25%左右。同時(shí)省掉了混凝土及其濕作業(yè)，方便了施工，縮短了工期，總體造價(jià)降低。此外，由于跨越部分自重減小，對(duì)其自身和整體抗震也十分有利。