高层建筑屋顶钢结构飘蓬设计方案分析

(整期优先)网络出版时间:2019-11-02
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高层建筑屋顶钢结构飘蓬设计方案分析

尹秀友

上海隆齐不锈钢制品有限公司200072

摘要:随建筑业的飞速发展、科学技术的不断创新,钢管桁架结构体系具有结构强度高、抗扭性能好、整体稳定性强、抗弯刚度较大、外形美观以及重量轻等优点,因此被广泛的应用在各类建筑中。本文就瑞淳新建公寓式办公楼高层建筑屋顶钢管桁架结构进行方案设计和分析,对受力性能进行对比分析,并对钢管桁架结构方案的可行性进行论证,以促进钢管桁架结构在高层建筑的发展。

关键词:高层建筑;钢管桁架结构;设计方案

引言:随着我国建筑业的不断发展,建筑造型的形式也日新月异,高层建筑屋顶各式形态的造型随之形成和得以发展,而传统设计中的钢筋混凝土结构难以满足建筑造型要求,相对而言钢管桁架结构以其强度高、自重轻、安装方便、抗震性能好、施工周期短等优点得以广泛应用。

一、工程概况

本文以瑞淳新建公寓式办公楼为例,对两高层主楼顶之间建造钢结构飘蓬设计方案进行研究和分析。该工程建筑面积4.5万平方米,裙楼一、二层商业配套,两主楼三至十一层为公寓式办公楼,两主楼净间距25m,建筑总标高为51.32m。结合该工程的总体特点进行分析,决定采用钢管桁架结构在两高层主楼顶之间完成飘蓬结构,氟碳漆铝板造型饰面与建筑风格形成颜色一体。

该工程两主楼为框架剪力墙结构体系,结构设计使用年限为50年,高层民用一类建筑,抗震设防烈度:7度,建筑耐火等级:一级。

二、钢结构飘蓬结构体系方案分析

1.钢结构飘蓬结构形式选择:

本工程钢结构飘蓬跨度27.5m,宽度18m,飘蓬高度2m,标高51.32m,结构支撑选择钢管桁架结构体系。

2.结构荷载及作用

本工程载荷取值依据(GB50009-2012)《建筑结构荷载规范》规定:

恒载:结构自重、饰面材料及辅助龙骨自重;

活荷载:不上人屋面

风载:地面粗糙度:B类,50年一遇基本雪压

雪荷载:50年一遇基本风压

地震作用:建筑场地类别:Ⅳ类;地震基本烈度:7度;地震加速度:0.10g;地震分组:第一组。

3.材料选择:

(1)主要受力构件

结构主受力构件(钢管)材材质采用Q235B钢,钢材的化学成分和机械性能应满足《碳素结构钢》(GB/T700-2006)中相关规定。

(2)紧固连接件

锚栓材质:Q235

(3)焊接材料

材料Q235钢应满足如下规定或者按施工单位的工艺评定和国家有关标准进行选定:

焊条:GB5117-95《碳素焊条》

焊丝:GB/T14958-94《气体保护焊用焊丝》和GB/T14957-94《熔化焊用钢丝》

三、钢结构飘蓬结构体系结构计算分析

1.计算分析工具(程序)

本工程采用空间桁架体系,结构有限元分析的几何建模是通过MIDASGEN821建立,结构的边界条件、荷载施加及结果处理都是通过MIDASGEN821来完成的。

计算采用空间三维实尺模型,杆件按照两个节点和六个自由度的结构单元,考虑拉(压)、弯、剪、扭四种内力共同作用该单元上[1]。

空间结构三维模型如图:

2.构件截面的选用

设计中选用的截面如表所示。

3.计算分析

(1)结构变形分析

D:恒载,L:活载,W:风荷载,S:雪荷载,Ex:X方向地震荷载,Ey:Y方向地震荷载。

通过MIDASGEN821计算出结构在:D(恒载)、L(活载)、W(风荷载)作用以及包络组合各荷载工况作用下结构的位移云图。

根据MIDASGEN821计算结果得出结构在1D+1L荷载组合作用下,桁架最大位移位于主梁跨中。

(2)结构模态分析

结构进行模态分析的目的是反映结构的总体动力性能和确定结构的频谱特性,模态分析为线性分析,分别考虑沿结构X、Y方向对结构进行激励。振型叠加采用CQC法,方向组合采用SRSS进行计算。得出结构在各个阶段模态的周期及频率。

(3)结构反应谱分析

计算初始条件

本工程建筑场地类别:Ⅳ类;地震基本烈度:7度;地震加速度:0.10g;地震分组:第一组;加速度设计反应谱分析参数取值:水平地震影响系数最大值αmax=0.08,特征周期Tg(S)=0.9,阻尼比ζ=0.05,采用规范确定的地震影响系数曲线。

计算用地震反应谱曲线如图

(4)结构支座反力

结构支座反力是钢结构柱脚设计及基础设计的基础,列出各工况下基础反力,为下一步基础的设计工作提供设计数据。

四、杆件截面验算分析

通过MIDASGEN821完成主桁架弦杆、次桁架弦杆、腹杆截面安全性验算:

1.由于桁架杆件受到端点的约束相当大,因此我们需将钢管桁架杆件有效长度简化为:弦杆及桁架平面内KL=0.9L,桁架平面外KL=0.9L,腹杆及任意平面内KL=0.75L,L节点间的长度;

2.计算压弯构件受压翼缘两腹板间部分宽厚比及腹板高厚比。

3.计算轴向受压构件长细比,轴向受压构件强轴整体稳定验算的承载力,强轴整体稳定验算,轴向受压构件弱轴整体稳定验算的承载力,弱轴整体稳定验算。

4.计算有效抗弯承载力,抗弯承载力验算,

5.计算压弯构件强度验算,弯矩作用在两个主平面内.

6.计算局部坐标系y轴方向的剪应力,计算局部坐标系z轴方向的剪应力。

五、结构杆件连接分析和设计

1.减小边界条件对计算结果的影响,各杆件端部距离节点核心区的长度均不小于3d;

2.计算杆件时,首先将所有杆件端部的轴、横向位移进行约束,根据计算出在最不利工况下整体杆系模型的轴力大小;然后将轴力以恒定值力施加给主桁架弦杆、腹杆(竖向、斜向腹杆)。

3.各腹杆与弦杆的连接均采用四周满焊,焊缝的有效高度满足:当fyi=235MPa时,a≥0.95t,当fyi=275MPa时,a≥1.00t,当fyi=355MPa时,a≥1.07t,t为腹杆的壁厚[2,3];

六、钢结构飘蓬与原结构连接分析和设计

1.屋顶钢结构飘蓬除了结构自身的安全可靠外,还有就是飘蓬钢结构构件与原结构预埋件可靠连接,预埋件及结构加固处理由建筑设计单位完成。

2.考虑到两栋主楼沉降变形、工况荷载及正、负风压对飘蓬的影响,计算得出满足支座结构受力参数要求,根据参数要求选择成品支座如下表:

七、钢管桁架结构方案的可行性分析论证

1.各工况作用下结构变形:根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录A中规定限值,结构在1D+1L荷载组合作用下,钢梁的最大挠度54mm<L/400=27500/400=68.75mm,满足要求。

2.最不利荷载组合作用下杆件应力:用MIDASGEN分析得出结构的应力云图,大部分杆件的应力均小于1,杆件均安全。

3.MIDASGEN验算杆件截面:

(1)压弯构件受压上、下翼缘:BTR=Width/tf=16.67<BTRL=40--->OK.

(2)左、右腹板箱型截面:.DTR=Depth/tw=23.00<DTRL=40.000--->OK.

(3)轴向受压构件长细比:Kl/i=39.1<150.0--->OK.

(4)强轴整体稳定:N/Nrc_y=0.517<1--->OK.

(5)弱轴整体稳定:N/Nrc_z=0.54<1--->OK.

(6)强轴抗弯强度:My/Mcry=0.089<1--->OK.

(7)弱轴抗弯强度:My/Mcrz=0.053<1--->OK.

(8)压弯构件强度:Rmax=MAX[Rmax1,Rmax2]=0.656<1.000--->OK.

(9)强轴抗剪强度:Tau_y/fvy=0.015<1.000--->OK.

(10)弱轴抗剪强度:Tau_z/fvz=0.007<1.000--->OK.

杆件截面均满足安全要求。

八、飘蓬钢结构施工注意事项

1.焊接技术依据《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)第4.3.6条规定,桁架杆件对接焊缝质量等级为二级,全焊透坡口焊缝,钢管连接焊接采用坡口四周满焊,若在内侧的2~3mm焊不透,则需在外侧增加3mm角焊缝,现场角焊缝为三级。

2.多根腹杆与弦杆重叠时,先焊管径较大的腹杆,再焊管径较小的腹杆;先焊壁厚较厚的腹杆,再焊壁厚较薄的腹杆。

3.桁架钢管构件外露端口采用钢板焊接封闭,钢管内外空气被隔绝,使得钢管内壁的抗锈蚀性能得以提高,构件在施工拼装、安装过程中管内无积水,主管外露端头处外伸尺寸不低于50mm,封头板厚:壁厚+2mm。

4.禁止雨雪天气露天焊接作业,如构件表面有冰雪或潮湿时,施焊前必须清除干净,四级以上大风应采取有效的防风措施。

5.钢桁架制造时预先进行起拱,起拱值为跨度的1/500。

6.结构吊装前应对吊点结构节点复核验算,吊装过程确保结构构件的整体稳定性,施工安装就位后及时系牢连系和支撑构件。

九、结束语

我们在设计过程中,焊接钢管桁架结构体系的结构承载力计算模型应该根据实际荷载情况、受力特点、节点连接形式等综合确定,不能简单按照铰接确定;钢管桁架结构承载力还取决于构件承载力、连接节点强度、焊接强度以及连接节点方式和杆件几何参数;因此,认真把握管桁架的受力特点,才能设计出结构安全可靠、经济合理、形式美观的管桁架项目;钢管桁架具有杆件数量少、加工简单、受力合理、材料利用充分等特点是一种很有前途的结构形式。

参考文献:

[1]夏林.某柔性连接钢结构连廊设计《建筑结构》2016.06.15

[2]段树鑫.焊接工字型钢梁截面设计的直接算法建筑结构,1999,29(11):51~55

[3]陈绍蕃.钢结构.第二版.北京:中国建筑工业出版社,1994.160~166