淺析高空鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

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鋼桁架體系模型的建立及優(yōu)化

1鋼桁架體系的建立

從結(jié)構(gòu)受力來看，由于所有荷載都將傳遞至下部鋼筋混凝土框架剪力墻體系上，下部結(jié)構(gòu)體系承受了很大的負(fù)荷，如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化這一結(jié)構(gòu)就變得十分關(guān)鍵。設(shè)計(jì)遵照BS5950:2000標(biāo)準(zhǔn)，利用SAP2000有限元計(jì)算軟件建立了精確的三維空間計(jì)算模型(見圖3)，模型包括了3D鋼桁架與LED畫像平面剛架，考慮了檢修樓梯、支撐等全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。為簡化水平作用的計(jì)算，設(shè)計(jì)將模型分為10層，基礎(chǔ)為屋面標(biāo)高，在局部坐標(biāo)系里定為±0.000標(biāo)高點(diǎn)，向上第1層為10m，第2～9層為5m，最高1層為4.08m。初步設(shè)計(jì)時(shí)，假定該體系直接固定在屋面板上，支座如圖4所示，模型中支座被假定為固定支座，以得出支座反應(yīng)數(shù)據(jù)再驗(yàn)算樓板承載力。而按照英國標(biāo)準(zhǔn)考慮荷載組合，初步計(jì)算后得出在選用S-335級(jí)型鋼時(shí)支座產(chǎn)生的包絡(luò)反力值，如表1所示。

2設(shè)計(jì)優(yōu)化

1)驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)屋面板按現(xiàn)有梁柱布置情況不能承受該體系的質(zhì)量，但若在桁架柱支座下方添加支撐體系，勢(shì)必影響塔樓下層的使用空間，這與建筑頂層為酒店的建筑功能相沖突;于是設(shè)計(jì)在兼顧這些因素的情況下，做了如下修改:將支座外移組合到屋面四角柱內(nèi)，設(shè)置預(yù)埋件為其提供豎向支撐。2)水平荷載下的結(jié)構(gòu)受力安全依前文所述，風(fēng)荷載考慮為3kN/m，LED畫像的受荷面積取為全部面板1/2的情況下，計(jì)算得出水平位移過大，因此設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)體系下部增加了10處水平支撐，支撐均設(shè)置在屋頂以上設(shè)備層樓板標(biāo)高處，并直接與混凝土核心筒中的預(yù)埋件固定，最終確定設(shè)計(jì)模型如圖3所示。計(jì)算結(jié)果顯示鋼結(jié)構(gòu)各部分在各荷載組合下的承載力計(jì)算安全，變形驗(yàn)算可靠。

3構(gòu)件截面設(shè)計(jì)

在AlHikma高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要采用焊接箱形桁架截面作為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，可以有效地節(jié)約成本;選用S-335J0級(jí)鋼材，焊接組成如圖6所示的標(biāo)準(zhǔn)桁架單元，再逐層采用Degree8.8級(jí)(英國標(biāo)準(zhǔn)BS3692)的鍍鋅螺栓連接，簡化了施工過程。

1)鋼材的選用。在本工程高空鋼結(jié)構(gòu)體系中，工字鋼主要采用S-355J0級(jí)鋼板材制作，而圓鋼管與方鋼管則主要采用S-355JOH無縫鋼管;這類鋼材在英國規(guī)范BSEN10025(1994)中屬于工程和焊接用非合金鋼，當(dāng)鋼材厚度＜30mm時(shí)，其含碳率≤0.20%，含磷率與含硫率均≤0.040%，經(jīng)實(shí)測(cè)得其屈服強(qiáng)度≥385MPa，抗拉強(qiáng)度在525～590MPa，伸長率≥22%，縱向沖擊韌性≥36%，具有良好的機(jī)械性能與焊接性能，均滿足規(guī)范要求。

2)截面設(shè)計(jì)。進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)時(shí)，其中最重要的一個(gè)因素是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力水平，構(gòu)件的應(yīng)力水平不僅體現(xiàn)構(gòu)件安全與否，而且還與結(jié)構(gòu)的用鋼量直接相關(guān)。本案中由于安全性的考慮，桁架各構(gòu)件的應(yīng)力比均控制在＜0.7的范圍之內(nèi)。

主要計(jì)算結(jié)果與用鋼量統(tǒng)計(jì)

1靜荷載作用下的內(nèi)力與變形

在考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載和溫度作用的組合下，對(duì)結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型進(jìn)行分析，得出內(nèi)力與變形值。由程序的計(jì)算結(jié)果可知，最大層間位移均發(fā)生在y向風(fēng)荷載單獨(dú)作用下，其值如表2所示。

2用鋼量統(tǒng)計(jì)

在高空鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概算階段，整個(gè)桁架體系的統(tǒng)計(jì)用鋼量為720.7t。

結(jié)語

綜合該高空鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)過程，不難發(fā)現(xiàn)就中東燥熱地區(qū)高層建筑的露天鋼結(jié)構(gòu)焊接箱形桁架而言，由于其設(shè)計(jì)截面較小，在考慮了各種效應(yīng)的作用(包括當(dāng)?shù)卦餆釟夂蛴绊?之后，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)仍應(yīng)放在對(duì)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)與優(yōu)化之上，并通過建立3D設(shè)計(jì)模型來對(duì)體系構(gòu)件的應(yīng)力比進(jìn)行優(yōu)化，提高材料的利用率，使結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)化。（本文作者：王力尚、李方升、田三川、許輝 單位：中建中東有限責(zé)任公司、中建股份有限公司海外事業(yè)部）