大型鋼結(jié)構(gòu)采光頂設(shè)計(jì)

張健，唐亞林

（1.東方農(nóng)道建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410006；2.長沙市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)在商業(yè)綜合體的采光天頂中運(yùn)用得十分廣泛，目前有諸多研究者對(duì)此類采光頂?shù)脑O(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。李聰?shù)萚1]介紹了某商業(yè)廣場裙樓采光頂，其研究重點(diǎn)為柱腳的雙向滑動(dòng)球形支座，結(jié)果表明球形支座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理。吳社[2]在設(shè)計(jì)采光頂時(shí)采用了倒三角形截面的方鋼管桁架，其分析表明倒三角形截面的方鋼管桁架自身剛度大，平面剛度小，需通過加支撐來解決。綜上可知目前的研究者多對(duì)采光頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)安全性方面進(jìn)行了研究，而對(duì)于結(jié)構(gòu)整體美觀性關(guān)注較少。本文同時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)安全性與室內(nèi)觀感，通過結(jié)構(gòu)布置方案比選和截面優(yōu)選尋求一種既安全可靠又美觀簡潔的結(jié)構(gòu)方案。

1 項(xiàng)目概況

某6 層商業(yè)綜合體項(xiàng)目主體采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)天井的玻璃采光頂采用鋼框架結(jié)構(gòu)，綜合體整體模型見圖1 所示。采光頂整體呈類橢圓形，長向跨度（直徑）為42m，短向跨度（直徑）為24m，綜合體砼屋面的標(biāo)高為26.1m，玻璃采光頂屋面的標(biāo)高為29.1m。本文主要介紹此類大型鋼結(jié)構(gòu)采光頂設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖1 綜合體整體模型截圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年，設(shè)計(jì)使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，建筑防火分類為一類，耐火等級(jí)為一級(jí)。

2.2 抗震設(shè)防有關(guān)參數(shù)

本工程抗震設(shè)防烈度為6 度[3]，設(shè)計(jì)基本地震加速值為0.05g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04。場地類別：Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組：第一組，特征周期值：0.35s。結(jié)構(gòu)阻尼比：0.04。抗震設(shè)防類別為乙類，按6 度進(jìn)行抗震計(jì)算，按7 度要求采取抗震措施。

2.3 荷載取值

屋面荷載：1.0kN/m2，屋面荷載：0.7kN/m2，100 年重現(xiàn)期風(fēng)壓：0.45kN/m2，地面粗糙度B 類，100 年重現(xiàn)期雪壓：0.55kN/m2，吊掛荷載：5kN/處，共8 處。溫度作用：±25℃[4]，地震作用：詳?shù)?.2 節(jié)。

2.4 荷載組合

采光頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載組合如表 1 所示。荷載組合考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)構(gòu)成情況，并滿足《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[5]和《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》[6]的相關(guān)規(guī)定。其中風(fēng)荷載、活荷載、溫度作用及地震作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載，因此以上四種荷載均作為第一可變荷載進(jìn)行了組合?？紤]到采光頂頂部風(fēng)荷載的方向，荷載組合分為恒載有利、不利兩種情況。

表1 采光頂結(jié)構(gòu)荷載組合

3 結(jié)構(gòu)布置

本采光頂工程采用鋼框架結(jié)構(gòu)，為達(dá)到最佳室內(nèi)效果，需盡量減小梁截面高度。本設(shè)計(jì)采用減小柱距和沿短向布置主跨的方式來減小主梁的受荷面積及跨度，以期望最大限度地減小主梁截面。結(jié)合玻璃幕墻的合理分割尺寸（2m2以內(nèi)，約1.4m邊長），經(jīng)過多次試算，結(jié)合整體效果本設(shè)計(jì)最終將柱距定為2.8m，不同柱距下主梁截面見表2 所示，梁截面高度隨柱距變化見圖2，從圖2 中可知柱距在2.8～5.6m 區(qū)間內(nèi)，隨著柱距的增大，鋼梁的截面高度呈線性增加，而柱距在1.4～5.6m 區(qū)間內(nèi)，在1.4～2.8m 段出現(xiàn)非線性異常，其原因是柱距過小時(shí)鋼梁的截面高度由撓度控制而非強(qiáng)度控制。采光頂結(jié)構(gòu)布置見圖3，采光頂結(jié)構(gòu)模型示意圖見圖4。

表2 不同柱距下主梁截面尺寸表

圖2 梁截面高度隨柱距變化圖

圖3 采光頂結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 采光頂結(jié)構(gòu)模型示意圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 梁柱截面選型

本設(shè)計(jì)為鋼框架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)主軸方向均需要提供有效的抗側(cè)移剛度，因此本設(shè)計(jì)采用矩形截面柱，主跨方向?qū)?yīng)的截面為長邊，另一方向?qū)?yīng)截面的短邊。

為盡可能地減小梁截面高度，提升室內(nèi)效果，主次梁也采用矩形截面；為方便施工找形，連接鋼柱的周圈弧形邊梁采用圓形鋼管。本工程主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格如表3 所示。為方便加工與安裝，本設(shè)計(jì)屋面排水找坡采用幕墻找坡形式。

表3 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格表

4.2 結(jié)構(gòu)分析

4.2.1 動(dòng)力分析

由于本設(shè)計(jì)垂直主跨方向的剛度明顯弱于主跨方向剛度，因此第一振型將沿著垂直主跨方向振動(dòng)，通過檢查動(dòng)力分析結(jié)果是否滿足此條規(guī)律，可簡單判斷模型是否正確。動(dòng)力分析結(jié)果：第一振型沿垂直主跨方向振動(dòng)，對(duì)應(yīng)自振周期為0.4s，主振型圖見圖5，第二振型沿主跨方向振動(dòng)，對(duì)應(yīng)自振周期為0.35s，第三振型維扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)應(yīng)自振周期為0.3s。

圖5 主振型圖

4.2.2 靜力分析

本設(shè)計(jì)的應(yīng)力比圖見圖6，最大應(yīng)力比出現(xiàn)在最大主跨的主梁上，最大應(yīng)力比為0.92；豎向位移云圖見圖7，最大豎向撓度出現(xiàn)在大跨主跨的跨中，設(shè)計(jì)時(shí)需控制此撓度不能太大，以免影響正常使用，本設(shè)計(jì)取跨度的1/400 為撓度的控制值[7]。

圖6 強(qiáng)度應(yīng)力比圖

圖7 豎向位移云圖

4.3 柱腳設(shè)計(jì)

由于采光頂鋼柱的柱腳是從砼屋面邊梁上生根，本設(shè)計(jì)采用鉸接柱腳，盡可能地減小鋼柱傳遞給邊梁的彎矩，防止柱腳對(duì)邊梁的不利影響，同時(shí)也方便施工。柱腳采用在砼邊梁中設(shè)置預(yù)埋件的形式，鋼柱再與埋件的錨板焊接。由于采光頂跨度大，各柱腳均無向上的拉力，只有向下的壓力和剪力，因此埋件計(jì)算時(shí)偏安全地將壓力取為零，僅需將最大剪力設(shè)計(jì)值從計(jì)算結(jié)果中提取出來后進(jìn)行抗剪計(jì)算即可。圖8 是本項(xiàng)目柱腳的典型大樣圖。

圖8 鋼柱柱腳典型大樣圖

4.4 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

箱型截面梁柱及主次梁連接采用現(xiàn)場焊接的形式，避免了外露螺栓，簡潔美觀。主要連接大樣見圖9。

圖9 典型節(jié)點(diǎn)大樣圖

5 結(jié)論

本文通過結(jié)構(gòu)布置方案比選發(fā)現(xiàn)除小柱距（1.4～2.8m）外，鋼梁的截面高度隨著柱距的增大呈線性增加，而在小柱距范圍內(nèi)出現(xiàn)非線性異常，其原因是柱距過小時(shí)鋼梁的截面高度由撓度控制而非強(qiáng)度控制。參照此結(jié)論，本文選取了合理的梁柱截面，提供了一個(gè)既安全可靠又美觀簡潔的結(jié)構(gòu)方案。