渭南鸿基大厦钢结构悬挑屋盖设计.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１７）０６００３７０５・设计咨询・渭南鸿基大厦钢结构悬挑屋盖设计栾焕强（中铁十五局集团有限公司上海２０００７２）“”摘要：陕西渭南鸿基大厦下部结构为框架一剪力墙结构，支承上部官帽为钢结构悬挑屋盖。两个设计方案分别为管桁架结构和钢框架结构，中间大跨度部分采用了空间桁架体系，考虑了５１种荷载组合，应用空间整体模型的分析方法，采用Ｍｉｄａｓｇｅｎ软件对结构的周期、振型、强度、刚度等性能进行了计算分析，结果表明，管桁架结构能够满足规范设计要求。关键词：管桁架钢框架悬挑屋盖时程分析中图分类号：ＴＵ３９３．３文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９．４５３９．２０１７．０６．００９ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅＲｏｏｆｏｆＨｏｎｇｊｉＢｕｉｌｄｉｎｇｉｎＷｅｉｎａｎＬｕａｎＨｕａｎｑｉａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１５山ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨｏｎｇｊｉＢｕｉｌｄｉｎｇｉｎＷｅｉｎａｎｏｆＳｈａｎｘｉｉｓｆｒａｍｅｓｈｅａｒｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇａｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｓｈａｐｅｏｆ“ａｎｏｆｆｉｃｉａｌ”ｈａｔ．Ｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｏｓａｌｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｂｅｔｗｅｅｎｐｉｐｅｔｒｕｓｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＳｐａｃｅｔｒｕｓｓｓｙｓｔｅｍＷａｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｌａｒｇｅｓｐａｎｐａｒｔ．Ｓｐａｔｉａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｍｏｄ－ｅｌｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇＭｉｄａｓｇｅｎｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄ５１ｔｙｐｅｓｏｆｌｏａｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｔｈｅｐｅｒｉｏｄ，ｍｏｄｅ，ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｉｐｅｔｒｕｓｓｓｔｍｃｔｕｒｅＷａｓｃｏｎｆｏｒｍｅｄｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｄｅ－ｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｔｒｕｓｓ；ｓｔｅｅｌｆｒａｍｅ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄｓｔｅｅｌｒｏｏｆ；ｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓ１工程概况渭南鸿基大厦位于陕西省渭南市乐天大街以北小雷村的东北侧，工程总建筑面积１０２７４７ｍ２。本工程由中央主楼和东西配楼组成，之间采用连廊相互连接。主要功能地上为办公用房，地下为车库和设备用房。地上主体结构１６层高度约６８ｍ，主楼结构为框一剪体系。西配楼和东配楼分别位于主楼左右两侧，结构高度约２３ｍ，为框架结构。建筑投影长度为１３２ｍ，宽度为３８ｍ。中间主楼屋盖高度５．９ｍ，屋盖中央结构跨度３３．６ｍ，左右两侧悬挑——收稿日期：２０１７０３２２“”基金项目：十二五国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＪｌ７８００）作者简介：栾焕强（１９７６一），男，工程师，主要从事大跨度钢结构及混凝土结构技术研究。１５．４ｍ，前后悬挑７．９ｍ，轻质铝板饰面，整个结构由两部分组成：主结构＋外围龙骨。图１为效果图。图１效果图屋顶混凝土结构Ａ．Ｄ轴间距分别６．０ｍ，１０．８ｍ，５．４ｍ，总宽度为２２．２①⑤ｍ；纵向一轴柱距为４×８．４ｍ，中间连廊跨度为３３．６ｍ，总长度为１００．８ｍ。柱截面为９００ｍｍｘ９００ｍｍ，梁截面为５００ｍｍｘ８００ＩＢｍ，结构平面布置如图２所示。本设计通过设置在屋顶混凝土柱处的钢结构空间桁架体系来实现屋盖悬挑。本文主要介绍钢结构空间桁架体系的设计与分析。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０６）３７万方数据・设计咨询・厂厂飞．ｒｒｒ门ｒｒ＼Ｕ＼‘＼８４００８４００８４００８４００¨ｚ一图２屋顶混凝土结构布置２屋盖整体悬挑结构布置２．１结构选型屋顶主体结构采用钢筋混凝土结构体系，对于屋顶外围的区域采用悬挑钢结构空间桁架体系。钢结构屋盖选型主要考虑以下几个因素：保证建筑的外部空间效果；屋盖造型与主体结构协调统一；构件轻盈，便于吊装，尽量实现标准化生产；考虑后续外包铝板等装修工作的方便，减少龙骨用量，既降低自重又节约造价。钢结构悬挑桁架结构体系具有以下优点：（１）悬挑结构对称设置，可以利用自重平衡倾覆荷载；（２）传力途径明确、直接；（３）结构刚度大，可有效减小悬挑端位移。参考国内大跨度悬挑结构做法¨。］，本工程悬挑桁架结构体系可考虑采用两种结构方案：方案一采用在混凝土结构上直接悬挑管桁架作为屋面的承重体系，东西两侧跨度中间增加钢结构柱和梁，并在混凝土柱间设置必要的柱间支撑，如图３所示（仅画出左半边结构）。方案二将混凝土梁柱代换成钢框架结构，悬挑部分设置必要的支撑，如图４所示（仅画出左半边结构）。Ｃ．东西侧主桁架－！！！！！！三丝！塑－臣互Ｚ鉴丑Ｚ登丑Ｚ至叼∑Ｅ王乏至Ｓ工Ｚ￡臣口５囱ｂ．中间桁架巡｝丰等半图３方案一悬挑钢桁架与混凝土结构铁道建筑技术Ｃ．东西侧主桁架豇眨［］‘Ｉ２２趔Ｊｂ．中间桁架图４方案二悬挑钢框架结构２．２结构布置方案一采用管桁架结构，以混凝土框架为主要承重构件，混凝土梁范围内不设承重钢结构，直接铺设龙骨安装屋面板，施工方便，节约造价。由于本工程悬挑造型需要，在混凝土柱上设置悬挑钢结构，整体钢桁架体系包括：悬挑主桁架、纵向连系钢桁架、中间桁架。悬挑桁架之间设置多道连系桁架，加强整体刚度，有效控制挠度。东西两侧主桁架上部外挑１４ｍ，下部外挑４ｍ，主桁架间距１１．１ｍ；南北两侧主桁架上部外挑６．０ｍ，下部外挑２．０ｍ；次桁架间距分别为２．５ｒｎ和２．０ｍ，便于龙骨及外包铝板的安装。中间部分跨度３３．６ｍ，结合建筑造型需要，纵向２道主桁架设置４道弦杆，方钢管截面，组成高度为５．０ｍ的平面桁架，再设置垂直方向的次桁架与之相连组成整体。结构构件均为圆钢管，连接方式采用管一管相贯焊，总用钢量２６０ｔ。方案二采用钢框架结构。东西两侧主桁架上部外挑１４ｍ，下部外挑６ｍ，主桁架间距１１．４ｍ；南北两侧主桁架上部外挑６．０ｍ，下部外挑２．５ｍ，主桁架间距８．４ｍ。中间大跨度部分为空间桁架体系，悬挑桁架梁设置Ｖ型支撑，增加整体刚度。柱截面方钢管，梁截面及上下弦截面Ｈ型钢；支撑采用圆钢管，总用钢量３３７ｔ。方案一构件本身自重小，便于运输和安装，总的用钢量也少于方案二，并且造型美观轻盈，网格间距小，节约龙骨用量。因此采用方案一管桁架结构作为屋盖悬挑结构受力体系。杆件截面如表ｌ所示。ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯ￡－ｏＧｙ２０１７ｆＤ６Ｊ昂打蚓～眦１７卫ｌ＼斗Ｚ图盟ｌ／／测吖７，纱∑拍兰２一＼一一罗岔蚓１万方数据・设计咨询・塞１杆件截面汇总子如表３所示。３荷载及荷载组合根据建筑做法及实际使用情况，桁架间距为２ｍ×２ｍ和２．５ｍｘ２．５ｍ，恒载取０．５ｋＮ／ｍ２，不上人屋面活载取０．５ｋＮ／ｍ２，风荷载和雪荷载分别为０．３５和０．２５【３℃Ｊ。合龙温度取１０，温度变化考虑±３０ｏＣ，５０年一遇基本风压值０．３５ｋＮ／ｍ２。总共６种荷载工况（见表２）。结构的承载力极限状态与正常使用极限状态，共考虑了５１种荷载组合，其中结构承载力极限状态，共４０种，结构正常使用极限状态，共１１种。表２荷载工况汇总荷载条件荷载值自重程序自动计算恒载０．５（１．０）ｋＮ／ｍ２活载０．５ｋＮ／ｍ２风载０．３５ｋＮ／ｍ２雪荷载Ｏ．２５ｋＮ／ｍ２温度荷载±℃３０４小震作用下弹性分析以下层柱作为屋盖结构嵌固端，综合考虑表２所示荷载工况及地震作用，采用ｍｉｄａｓ‘ｇｅｎ４１进行三维建模分析。为保证结构的整体稳定性，上下弦必须采用刚接点，形成刚性框架，混凝土梁柱及钢结构桁架腹杆、支撑采用桁架单元模拟，上、下弦杆采用梁单元模拟，铝板用板单元模拟，质量和刚度设为零。Ｍｉｄａｓ计算模型如图５所示。图５Ｍｉｄａｓ计算模型对不同荷载组合下管桁架特征值进行屈曲分析表明，结构体系屈曲因子均满足《空间网格结构技术规程》（ＪＧＪ—７２０１０）的要求¨１，１．２恒荷载＋１．４活荷载作用下管桁架体系前五阶线弹性屈曲因铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ表３管桁架体系前五阶屈曲因子在Ｍｉｄａｓ软件中，给出了模态分析的两种进行方法：多重Ｒｉｔｚ向量法和特征值向量法。前者求得的结果较之后者具有更快的收敛速度和更好的计‘算精度６。７１。由于混凝土结构刚度比钢结构刚度大很多，故参与振动的部分主要是钢结构屋盖，为保证振型质量参与系数达９０％以上，取前９０阶进行分析。前十阶振型均为平动。第一阶与第二阶，第三阶与第四阶，第五阶与第六阶，第七阶与第八阶，第九阶与第十阶振动模态基本对称，如图６所示。第一振型为东侧的竖向振动，自振周期０．５８ｓ，因东西两端悬挑长度达１５ｍ，刚度比南北两侧小，故此振型符合本结构特点；第三振型为东侧的水平振动和北侧的竖向振动，自振周期为０．５０Ｓ；第五振型为东侧桁架的水平振动和北侧桁架的竖向振动，自振周期为０．４８ｓ；第七振型为南侧桁架的竖向振动，自振周期为０．５０ｓ；第九振型为中间大跨桁架的水平振动，自振周期为０．３８Ｓ。前十阶各部分为整体平动，没有局部振动，表明该结构质量及刚度分布均匀，振型匀称，抗震性能良好。５时程分析地震波选取工程场地的地震基本烈度为８度，工程抗震设防类别为丙类，可按本地区抗震设防烈度采取抗震措施，设计地震分组第一组，场地特征周期０．４５ｓ，建筑场地类别为三类。根据《建筑抗震设计规范》等规范标准，对于长悬臂和其他大跨度结构的竖向地震作用标准值，设防烈度为８度、９度时应进行竖向地震作用下结构分析。该建筑体型复杂，为竖向不规则结构，并且最大悬挑１４ｍ，超过规范规定的悬挑尺寸，属于长悬臂结构，对竖向地震作用比较敏感，采用竖向反应谱法和竖向时程分析法进行结构分析。根据《建筑抗震设计规范》等规范标准，采用３～５条天然和人工地震波可基本保证时程分析结果的合理性。—选用２条天然波ＥＩＣｅｎｔｒｏ、ＴＨ２ＴＧ０３５和１条人２０１７１０６）３９万方数据・设计咨询・工波ＲＨｌＴＧ０３５阻９｜，地震波主方向峰值７０ｃｍ／ｓ２，次方向为５９．５ｃｍ／ｓ２，竖直方向４５．５ｃｍ／ｓ２，３个方向峰值加速度比为１：０．８５：０．６５，３条地震波持续时间为３０ｓ，大于结构周期４倍，时间间距０．０２ｓ。一蓬一：蓬一ａ．第１振型（兀＝ｏ．５８ｓ），Ｙ向平动ｂ．第３振型（死＝０．５０ｓ），Ｘ、Ｙ向平动Ｃ．第５振型（兀＝０．４８ｓ），Ｘ、Ｙ向平动一。蓬一蓬６时程分析结果ｄ．第７振型（乃＝０．４８ｓ），Ｙ向平动ｅ．第９振型（兀＝０．３８ｓ），ｘ向平动图６振型示意按照八度多遇地震输入３条地震波，考察悬挑桁架上弦节点的位移，最大位移如表４所示。表４地震波与反应谱作用下桁架最大位移ｍｍ悬挑地震波名称Ｙ向１立移ｚ向位移桁架地震波反应谱地震波反应谱Ｅ１．Ｃｅｎｔｒｏ１５．２５３．１１４１１１ＴＨ２Ｔｃ０３５２３．８２７．４６５．４６２．３ＲＨｌＴＧ０３５２９．４８７．５６—ＥｌＣｅｎｔｒｏ７．３３５．４６ｍＴＨ２ＴＧ０３５１３．９１５．１２８．１３６．４ＲＨｌＴｃ０３５１８．２４０．６从表４中可以看出，加速度峰值相同的３条地震波产生的最大位移幅值不同，结构在ＲＨｌＴＧ０３５地震波作用下位移反应最大，ＴＨ２ＴＧ０３５地震波产—生的位移反应其次，ＥｌＣｅｎｔｒｏ地震波产生的位移反应最小。反应谱位移幅值与ＴＨ２ＴＧ０３５地震波幅值接近，均满足《钢结构设计规范》¨叫的要求。对受力最大的桁架分析主要杆件的轴力和弯矩，结果如表５所示。腹杆设为桁架单元弯矩为零。除下弦弯矩外，杆件在地震波作用下的内力均大于反应谱作用下的内力，最大相差２６．１％，竖向地震动提高了杆件弯矩和轴力幅值。铁道建麓技术表５地震波与反应谱作用下桁架最大内力悬挑杆件轴力／ｋＮ弯矩／（ｋＮ・ｍ）桁架名称地震波反应谱误差地震波反应谱误差上弦７２．３７５．４—４．１％２８．１２６．８—４．６％１４ｍ腹杆一３１．４—２８．１—１１．７％０Ｏ下弦一５４．９—４６．３—１８．５％５７．５５１．１一ｌｌ％上弦４２．６３８．７一ｌＯ．８％２５．４１９．４—２６％６ｍ腹杆一１８．７—１５．２—２３．３％００下弦一３４．５—２９．６—１４．２％４０．６４６．３１４％７应力和位移结果７．１悬挑桁架应力比对屋顶钢结构部分进行三维整体分析，对无地震和多遇地震两个组合进行结构分析¨１－１２］。结果表明，温度荷载参与的组合对杆件应力计算起控制作用。这是因为桁架与柱的连接是刚接，长度较大，温度变化引起的应力较大。最大应力比０．９２，大部分杆件应力比在０．４～０．６之间，超过０．７的杆件很少，混凝土梁柱内力验算满足规范要求。７．２悬挑桁架位移控制结构最大位移的荷载组合为１．０恒十０．７活载＋１．０温度（＋），最大位移发生在东西两侧端部，最大竖向位移为９９ｍｍ（小于１／２５０），满足规范要求。整体变形如图７所示。ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ∞２０，７Ｊ塞薰蒌｜｜｛■■■■■■■“』』ｑＩ＝万方数据・设计咨询・。Ｉｉ篡薹ｉＩ誉＝：＝Ｉ｝薹纂ｉｌ！蓝曼图７恒载＋０．７活载＋温度（＋）作用下位移云图８结束语（１）方案一悬挑钢结构屋盖网格间距２．０～２．５ｍ不等，有利于龙骨及外包铝板的安装；方案二网格间距８．４ｍ×３．７５ｍ，增加龙骨用量，施工不便。（２）通过对悬挑钢结构屋盖模型进行模态分析可知，方案一钢结构屋盖质量及刚度分布均匀，振型匀称，抗震性能良好。（３）选取３条地震波对悬挑桁架进行时程分析，反应谱位移幅值与ＴＨ２ＴＧ０３５地震波幅值接近，悬挑屋盖刚度较好。（４）选择４０种荷载组合进行杆件验算，结构内力验算满足规范要求。（５）悬挑钢结构屋盖整体性好，最大竖向位移９９ｍｎ＇ｌ，发生在东西两侧悬挑端，满足规范要求。对于大悬挑钢结构建筑，需要考虑结构刚度、强度、控制位移等诸多因素。管桁架结构施工方便，节约龙骨用量，整体刚度好，竖向位移小，经济安全。参考文献［１］周洪顺．大跨度钢桁梁多点同步连续顶推施工［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１６（６）：５７．［２］赵先忠．某工展中心大跨钢桁架吊装关键技术研究—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（１０）：６４６８．［３］中国建筑科学研究院．ＧＢ—５０００９２０１２建筑结构荷—载规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２：７３１．［４］蒋玉川．ＭＩＤＡＳ在结构计算中的应用［Ｍ］．北京：化学—工业出版社，２０１２：１０２１４５．［５］中国建筑科学研究院．ＪＧＪ—７２０１０空间网格结构技—术规程［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１１：５５７９．［６］杨明杰．超限结构时程分析与中震分析［Ｊ］．铁道建—筑技术，２０１６（７）：１０３１０５．［７］王树，王明珠，张国军，等．多层大悬挑钢结构体系静力—与抗震性能设计［Ｊ］．建筑结构学报，２０１２（４）：７７８６．［８］高健，姜健，李一松．大悬挑钢结构拱形雨篷节点设计—与有限元分析［Ｊ］．结构工程师，２０１５（３）：１７２２．［９］董心德，陈利祥．高抗震设防烈度区大跨度悬挑钢结构观光平台设计［Ｊ］．建筑结构，２０１６（Ｓ１）：４９１－４９３．［１０］北京钢铁设计研究总院．ＧＢ—５０００１７２００３钢结构设—计规范［ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３：１０８１７８．“”［１１］李开伦，徐志宏，马升东．海鸥大悬挑钢结构抗风—设计［Ｊ］．建筑结构，２００９（８）：９６９８．［１２］郭必武，董广武，张达生．湖北剧院扩建工程钢结构悬—挑楼座设计［Ｊ］．建筑结构，２００４（７）：１５１８．（上接第２２页）参考文献［１］石常康．轻型模板在铁路隧道斜切式洞门中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（７）：４０一４３．［２］郑余朝．－－－－：／Ｌ并行盾构隧道近接施工的影响度研究—［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００６：１６８１．［３］朱明申．浅埋地铁大断面隧道下穿铁路的暗挖施工控制—与加固防护技术研究［Ｊ］．工程技术，２００６（３）：２１２２．［４］丁维利，赵永明，初厚永，等．浅埋大断面黄土隧道下穿既有铁路施工技术［Ｊ］．铁道标准设计，２００７（ｓ１）：—６７７１．［５］王俊生．既有铁路下方隧道施工的防护措施［Ｊ］．铁—道建筑，２０１３（１２）：４９５１．［６］刘杨，张海燕．下穿既有线浅埋暗挖双联拱大跨隧道—施工技术［Ｊ］．市政技术，２０１２，３０（２）：７８８０．铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｌｏＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ———————●一＋－＋一＋．－卜一・卜一・卜－卜一－一・［７］曹海林．新建隧道下穿既有公路隧道施工技术［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１３（５）：５８６１．［８］中铁第四勘察设计院集团有限公司．新建福州至平潭铁路隧道施工图说明［ｚ］．武汉：中铁第四勘察设计—院集团有限公司，２０１３：７０７５．［９］丁祥．高速公路上跨既有铁路隧道爆破施工震动影响—分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（ｓ２）：１４８１５１．［１０］龚伦，郑余朝，仇文革．列车动载引起下穿隧道振动三—维数值分析［Ｊ］．现代隧道技术，２００８，４５（４）：２３２７．［１１］秦银刚，牛俊涛．软土地区重叠盾构隧道后掘进隧道对地面及既有隧道的影响［Ｊ］．天津建设科技，２０１５，—２５（５）：５１５４．［１２］陈荣伟，杨健，汪波．新建隧道下穿既有高速公路关键—问题的探讨［Ｊ］．公路，２００９（１１）：２５９２６４．［１３］田燕．列车振动荷载对地下隧道结构安全性影响分析—［Ｄ］．青岛：青岛理工大学，２０１３：５２５３．２０１７｛０６）４１万方数据