某天幕鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

楊 坤，張漢龍

（廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510060）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和建筑設(shè)計(jì)、建造水平的不斷提高，近年來(lái)各種造型新穎獨(dú)特的建筑物如雨后春筍般拔地而起，而鋼結(jié)構(gòu)天幕作為大型商業(yè)綜合群體的連接紐帶，以其夸張的幾何造型和華麗的整體外觀效果得到廣大建筑設(shè)計(jì)師的青睞。文本以一典型的工程為例介紹鋼結(jié)構(gòu)天幕的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

某項(xiàng)目位于珠海橫琴新區(qū)科教研發(fā)功能區(qū)的綜合商貿(mào)區(qū)內(nèi)，分為2個(gè)地塊，其中2號(hào)地塊地面以上由2 棟超高層辦公塔樓、2 棟商業(yè)裙樓、數(shù)棟文化創(chuàng)意獨(dú)棟辦公樓及貫穿整個(gè)地塊的天幕組成；地面以下設(shè)2 層地下室。天幕整體以“龍形”為總體概念，形成一條貫通各地塊的長(zhǎng)廊，與地塊的其它特色建筑整體打造成當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)。天幕頂部由5種規(guī)格尺寸不同的橢圓形膜結(jié)構(gòu)頂蓋排列組成，膜結(jié)構(gòu)頂蓋由下部樹形鋼柱支承，鋼柱柱腳設(shè)置在地下室頂部結(jié)構(gòu)或商業(yè)裙樓結(jié)構(gòu)上。2 號(hào)地塊整體效果、天幕局部效果及天幕總平面分別如圖1、圖2所示。本文主要對(duì)2-2號(hào)地塊的天幕結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。

圖1 2號(hào)地塊整體效果Fig.1 Overall Rendering of Plot 2

圖2 天幕局部效果及總平面Fig.2 Partial Rendering and General Layout of Sky Curtain

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)：GB 50233—2008》［1］，本工程為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，屬于丙類建筑。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期為0.35 s，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

本項(xiàng)目位于廣東省珠海市，屬于南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，每年6～10 月易受到臺(tái)風(fēng)侵襲，風(fēng)荷載作用是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主要控制工況。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［2］，地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓W0=1.00 kN/m2（由于天幕的體型比較復(fù)雜，基本風(fēng)壓按100年重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)）。

2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

2-2 號(hào)地塊天幕建筑高度約為21～24 m，綜合建筑方案造型要求、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度要求及施工可行性方面考慮，天幕主體采用鋼框架體系，頂部由5個(gè)橢圓形的鋼頂蓋連接組合而成，鋼頂蓋沿橢圓短軸方向布置圓形鋼管桁架以支承上部ETFE 膜。天幕結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)考慮建筑的造型需要，采用三肢組合格構(gòu)式鋼柱，鋼柱的3 個(gè)分肢均為圓形鋼管。各分肢頂部按一定的弧度向外彎折，端部與頂蓋外圍鋼梁剛接連接；底部與鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)鉸接連接。天幕建筑立面、結(jié)構(gòu)布置、頂蓋結(jié)構(gòu)平面及頂蓋鋼管桁架立面分別如圖3、圖4、圖5、圖6 所示。天幕鋼構(gòu)件截面如表1所示。

表1 天幕鋼構(gòu)件截面Tab.1 Section of Roof Steel Member

圖3 天幕建筑立面Fig.3 Elevation of Sky Curtain Building

圖5 天幕頂蓋結(jié)構(gòu)平面Fig.5 Structural Plan of Canopy

圖6 頂蓋鋼管桁架立面Fig.6 Elevation of Top Cover Steel Pipe Truss

3 結(jié)構(gòu)分析模型與設(shè)計(jì)荷載

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分別采用3D3S 和SAP2000 兩種軟件進(jìn)行對(duì)比分析。

建模時(shí)采用天幕鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)模型（簡(jiǎn)稱單獨(dú)模型）及天幕鋼結(jié)構(gòu)連帶主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的組裝模型（簡(jiǎn)稱組裝模型）分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、頂蓋附加恒載、頂蓋活荷載、風(fēng)荷載作用及地震作用等工況組合，采取最不利工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件按實(shí)際設(shè)計(jì)截面錄入，自重由計(jì)算程序自動(dòng)考慮，頂蓋附加恒載為0.85 kN/m2（包括外圍裝飾構(gòu)件，頂、底面ETFE 膜及其連接件），頂蓋活荷載為0.50 kN/m2。根據(jù)文獻(xiàn)［2］，參考珠海周邊城市基本氣溫信息，取珠海的最高基本氣溫為36 ℃，最低基本氣溫為6 ℃，假設(shè)結(jié)構(gòu)合攏溫度［3-4］為15 ℃，溫度荷載保守考慮為升溫25 ℃，降溫25 ℃。

4 結(jié)構(gòu)分析與驗(yàn)算

4.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是反映建筑結(jié)構(gòu)本身所固有的動(dòng)力性能，主要包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、周期、阻尼系數(shù)和振型等［5］。這些特性由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造連接等因素決定，與外部因素?zé)o關(guān)。對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析的目的是為了掌握結(jié)構(gòu)的自振頻率與振型情況，從而找出結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的部位并對(duì)其采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

兩個(gè)計(jì)算程序的動(dòng)力特性結(jié)果相近，前3 階自振周期如表2所示。天幕結(jié)構(gòu)的前3階振型如圖7所示。

表2 前3階自振周期Tab.2 The First Three Natural Periods

圖7 結(jié)構(gòu)前3階振型Fig.7 The First Three Modes of the Structure

由天幕的自振特性可知，前3階振型均為平動(dòng)，其中第1階振型結(jié)構(gòu)右側(cè)振幅較大，第2階振型結(jié)構(gòu)左側(cè)振幅較大，第3階振型表現(xiàn)為整體平動(dòng)（結(jié)構(gòu)右側(cè)端部擺動(dòng)較大），說(shuō)明結(jié)構(gòu)兩端部的剛度相對(duì)于中間部分較弱些，為避免因兩端部與中間結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相差太大而對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載作用造成的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)增設(shè)頂蓋聯(lián)系桿件、增設(shè)頂蓋管桁架及加大框架鋼梁、柱截面尺寸等措施對(duì)兩側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。

4.2 結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》［6］B.2.1條規(guī)定，單層無(wú)吊車框架結(jié)構(gòu)的柱頂水平位移容許值為H/150=147 mm（柱高度H為22 m）。由3D3S單體模型分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的最大柱頂水平位移為65 mm，小于文獻(xiàn)［6］容許值。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］B.2.2 條規(guī)定，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用及多遇地震作用下，多層無(wú)吊車框架結(jié)構(gòu)的層間位移角均為1/250。由3D3S 整體模型分析結(jié)果可知，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/271，在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/314，均滿足文獻(xiàn)［6］要求。

在豎向荷載作用下，天幕結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸跨中位置撓度較大，其最大值出現(xiàn)在尺寸最大的橢圓頂蓋外邊弧形梁的中點(diǎn)處。因?yàn)榇颂幹g跨度最大，梁抗彎剛度相對(duì)較弱且受荷范圍較大，所以下?lián)巷@著。天幕撓度最大位置如圖8 所示。另外，風(fēng)荷載對(duì)天幕結(jié)構(gòu)變形影響較大，迎風(fēng)面大的部分尤其明顯。分析表明，在豎向荷載及風(fēng)壓荷載作用下，天幕跨中最大撓跨比為1/558，可滿足鋼標(biāo)撓度限值要求。

圖8 天幕結(jié)構(gòu)撓度最大位置示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Maximum Deflection Position of Canopy Structure

4.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算

程序按文獻(xiàn)［6］要求對(duì)各個(gè)荷載組合工況下的結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)分析結(jié)果，風(fēng)荷載作用下的組合工況為各構(gòu)件承載力的控制工況［7］，最不利包絡(luò)組合下各構(gòu)件最大應(yīng)力比分布情況如圖9所示。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比最大值為0.79，可以看出，除少數(shù)個(gè)別構(gòu)件應(yīng)力比＞0.70，其余各構(gòu)件應(yīng)力比均未超過(guò)0.70。

圖9 應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)Fig.9 Stress Ratio Statistics

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

天幕結(jié)構(gòu)柱腳與主體裙樓結(jié)構(gòu)相連接，如何設(shè)計(jì)柱腳節(jié)點(diǎn)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵［8］。為最大限度減少主體結(jié)構(gòu)對(duì)天幕結(jié)構(gòu)的約束作用，格構(gòu)柱的各分肢與主體結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)為鉸接，即各分肢柱底僅承受軸力，不承受彎矩。有效地減少了鋼柱底部混凝土支座位移而產(chǎn)生的不利內(nèi)力，同時(shí)也減少了由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

限于篇幅，本文選取內(nèi)力最大的柱腳節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行探討。天幕典型柱腳大樣如圖10 所示。最不利工況下的柱底豎向拉力為Nz=1 100 kN，柱腳錨栓為M39，共設(shè)置8 個(gè)，材料采用Q355B，錨入混凝土結(jié)構(gòu)1 000 mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［9］，每個(gè)錨栓的受拉承載力設(shè)計(jì)值為175 kN，8個(gè)錨栓共可承擔(dān)拉力1 400 kN，滿足承載力要求。水平向的柱底反力計(jì)算結(jié)果較小，但由于文獻(xiàn)［6］規(guī)定錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力，因此在每個(gè)柱腳處均設(shè)置了抗剪鍵。另外，由于柱腳處于露天位置，為防止柱腳積水、積灰等不利情況，在柱腳混凝土基礎(chǔ)面以上400 mm 范圍內(nèi)設(shè)置了混凝土保護(hù)層。

圖10 天幕典型柱腳大樣Fig.10 Detail of Typical Plinth of Canopy（mm）

6 結(jié)語(yǔ)

⑴天幕的建筑造型獨(dú)特，為滿足建筑的外觀需求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面一般不能太大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造宜簡(jiǎn)潔美觀。對(duì)比鋼材和混凝土材料，鋼材強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土，在同等的受力條件下，采用鋼結(jié)構(gòu)其受力構(gòu)件截面可做得更加“纖細(xì)”，而且鋼構(gòu)件在承受拉力方面更有優(yōu)勢(shì)。因此，天幕結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)體系比較適合。

⑵天幕結(jié)構(gòu)支承于主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分析時(shí)應(yīng)采用單獨(dú)模型和組裝模型分別計(jì)算，取兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑶天幕結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大，柱底標(biāo)高不完全一致，體型較為復(fù)雜，采用兩個(gè)不同的力學(xué)模型進(jìn)行分析對(duì)比可驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。通過(guò)動(dòng)力特性分析結(jié)果可得知整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度分布情況，并對(duì)相對(duì)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。

⑷節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵［10］，柱腳采用鉸接連接可以減少主體結(jié)構(gòu)對(duì)天幕結(jié)構(gòu)的約束作用并且可有效減少溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，達(dá)到優(yōu)化構(gòu)件截面的效果。