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成都市中房二期工程綜合樓屋面鋼管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    蘇? 丁大益
    [提要] 成都市房地產(chǎn)交易市場(chǎng)二期工程綜合樓A區(qū)鋼管桁架結(jié)構(gòu)，平面呈長(zhǎng)方體（局部開(kāi)孔且懸挑較大），側(cè)面呈一端上翹的菱形，采用平面鋼桁架交叉桿系結(jié)構(gòu)。本文介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，得出的一些結(jié)論供相關(guān)工程參考。
    [關(guān)鍵詞] 管桁架結(jié)構(gòu)，相貫節(jié)點(diǎn)，內(nèi)力組合，抗震分析。
    一、管桁架概述
    管桁架結(jié)構(gòu)（亦稱為管結(jié)構(gòu)、管桁架、鋼管桁架結(jié)構(gòu)）近年來(lái)在大跨度空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。管桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區(qū)別在于連接節(jié)點(diǎn)的方式不同。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用螺栓球或空心球節(jié)點(diǎn)，過(guò)去的屋架經(jīng)常采用板新型節(jié)點(diǎn)，而管桁架結(jié)構(gòu)采用在節(jié)點(diǎn)處采用桿件間直接焊接的相貫節(jié)點(diǎn)（或稱管節(jié)點(diǎn)）。在貫節(jié)點(diǎn)處，只有在同一軸線上的兩個(gè)主管貫通，其余桿件（即支管）通過(guò)端部相貫線加工后，直接焊在貫通桿件（即主管）的外表；非貫通桿件可能在節(jié)點(diǎn)部位有一定的間隙（間隙型節(jié)點(diǎn)），也可能部分重疊（搭接型節(jié)點(diǎn)）。相貫線切割曾被視為難度叫高的加工工藝，因?yàn)榻粎R點(diǎn)桿件的數(shù)量、尺寸，角度的不同使得相貫線性形態(tài)各異，且破口處理困難。但隨著多維數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，這些難點(diǎn)一被克服。目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已裝備了相貫線切割機(jī)，相貫節(jié)點(diǎn)管桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到了前所未有的應(yīng)用。
    二、本鋼結(jié)構(gòu)工程概況
    成都市房地產(chǎn)交易市場(chǎng)二期工程，位于四川省成都市后子門(mén)，是一個(gè)集房地產(chǎn)展覽，辦證大廳，餐飲娛樂(lè)，休閑為一體的綜合性建筑。該建筑地上六層，地下兩層，建筑高度為30.000M，總建筑面積為79366.87M 。
    該建筑工程設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑抗震設(shè)防烈度為7度。建筑耐火等級(jí)為一級(jí)，屬一類高層建筑，屋面防水等級(jí)為II級(jí)，地下室防水等級(jí)為一級(jí)。
    結(jié)構(gòu)形式：主體為鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，屋頂為平面交叉鋼管桁架體系。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)使用年限為50年。重要性系數(shù)取1.0。
    整個(gè)建筑造型新穎獨(dú)特，線條優(yōu)雅流暢，色彩簡(jiǎn)單明快，虛實(shí)對(duì)比恰當(dāng)，給人以強(qiáng)烈的現(xiàn)代氣息。尤其是A區(qū)菱形屋面，其平面尺寸為104.7MX63.3M，支撐于端部的落地鋼管格構(gòu)柱高28M，臨街處飛檐出挑12M～21.55M不等，富于動(dòng)感。
    三、結(jié)構(gòu)方案確定
    最初的鋼結(jié)構(gòu)方案為曲面焊接球形網(wǎng)架，從本項(xiàng)目的平面形狀及體形分析，也不失為一種合理的選擇，可利用焊接球網(wǎng)架桿件布置的靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的造型。但該方案處理鋼結(jié)構(gòu)同屋面板的連接較為困難，必須通過(guò)連接于網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的主副檁條來(lái)連接屋面外板和內(nèi)板。檁條對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度沒(méi)有貢獻(xiàn)，會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)一定的重復(fù)用量。
    為避免以上的問(wèn)題，將檁條作為結(jié)構(gòu)整體的一部分（同時(shí)又能同屋面內(nèi)外板有效的結(jié)合），我們確定了以下的方案（見(jiàn)圖一）。
    平面鋼桁架交叉桿系結(jié)構(gòu)－沿字母軸方向按建筑外形的要求設(shè)計(jì)成平面梭形鋼桁架，沿?cái)?shù)字軸方向設(shè)計(jì)平面桁架式檁條，在必要的位置設(shè)立主受力桁架（2，3、4、8、9、10軸TR-A～TR-F）?？v橫兩向桁架在每一軸線上相交成交叉桁架，兩向桁架互為約束，形成較大的空間剛度，同原網(wǎng)架方案相比具有相似的結(jié)構(gòu)整體剛度。
    節(jié)點(diǎn)采用相貫式焊接，連接可靠簡(jiǎn)潔，可分為幾個(gè)構(gòu)件段分別吊裝，比原網(wǎng)架方案具有安裝上的優(yōu)勢(shì)。縱向桁架式檁條上下弦采用薄壁方鋼管，屋面外、內(nèi)板可直接連接于桁架式檁條上。
    由于鋼結(jié)構(gòu)附加在鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)屋頂，四面開(kāi)敞，對(duì)風(fēng)的作用非常敏感，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度要充分考慮風(fēng)振的影響，要使結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載作用下，均具有有效恒定的剛度，并應(yīng)使其固有頻率偏離成都本地風(fēng)的頻率，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振效應(yīng)。
    采用此方案經(jīng)計(jì)算比較在不提高鋼材強(qiáng)度的前提下可節(jié)約用鋼量約30％。


    四、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析
    （1）計(jì)算模型的確定
    由于結(jié)構(gòu)跨度較大，縱向剛度較弱，取任何一榀計(jì)算均不具代表性。因此做內(nèi)力分析時(shí)取完整的結(jié)構(gòu)模型。做地震反應(yīng)譜分析時(shí)，為得到合理的主振型，將鋼砼柱也一并建在模型中，見(jiàn)圖二。
    （2）荷載取值及荷載組合
    a.基本計(jì)算數(shù)據(jù)
    基本風(fēng)壓 0.30kN/m2
    （風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1,風(fēng)振系數(shù)為1.1，體形系數(shù)為－2）
    基本雪壓 0.10kN/m2
    建筑所在地區(qū)的抗震設(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
    場(chǎng)地土類別為III類
    b.屋面荷載
    恒載標(biāo)準(zhǔn)值 0.60 kN/m2（上下弦各0.30 kN/m2）
    主體結(jié)構(gòu)自重由計(jì)算程序自動(dòng)計(jì)入
    活荷載標(biāo)準(zhǔn)值 0.50kN/m2
    c.荷載組合
    組合一：1.2x恒載＋1.4x1.0x活載
    組合二：1.0x恒載＋1.4x1.0x風(fēng)載
    組合三：1.2x恒載＋0.85x(1.4x活載＋1.4x風(fēng)載)
    組合四：1.2x恒載＋1.4x1.0x風(fēng)載＋1.4x0.7x活載＋1.3x0.2x地震荷載
    組合五：1.2x恒載＋1.4x0.5x活載＋1.3x地震荷載
    活荷載和雪荷載取大值計(jì)算，水平地震荷載和風(fēng)荷載組合時(shí)考慮與側(cè)向水平風(fēng)荷載同向組合。
    （3）結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計(jì)算
    計(jì)算采用阿依艾軟件有限公司的STAAD Pro軟件，抗震分析采用振型分解反應(yīng)譜法，考慮8個(gè)模態(tài)，
    主桁架跨中豎向位移在恒載和活載組合下，考慮1/300的限值，懸臂端考慮1/180的限制值；30M高處桁架最大水平位移在風(fēng)載作用下考慮1/500的限值（按最長(zhǎng)柱考慮）。地震反應(yīng)下的豎向位移限值為1/300，30M高處桁架最大水平位移限值為1/400。水平位移均考慮縱、橫兩方向。
    由于屋蓋結(jié)構(gòu)獨(dú)立計(jì)算，其下部結(jié)構(gòu)的剛度直接影響到結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果，支座剛度的模擬就非常重要，實(shí)際分析過(guò)程中，每個(gè)支座的水平剛度均由計(jì)算得出。







    六．制作安裝安過(guò)程簡(jiǎn)述
    本鋼管桁架所有桿件端頭皆采用相貫線割管機(jī)精確切割成相貫線切口，支管壁厚大于等于6mm時(shí)切成坡口，支管壁厚小于等于6mm時(shí)未不切坡口，支管切割時(shí)還考慮主管為曲桿等因素對(duì)切割軌跡的影響，下料階段規(guī)定不得采用人工修補(bǔ)的方法修正切割完的支管。焊接節(jié)點(diǎn)間的桿件長(zhǎng)度考慮焊接收縮量，其值通過(guò)試驗(yàn)確定。
    對(duì)鋼管相貫線焊縫要求如下：
    1.線焊縫，應(yīng)沿全周連續(xù)焊接并平滑過(guò)渡。焊縫的質(zhì)量等級(jí)：全熔透焊縫為二級(jí)，角焊縫和部分熔透焊縫為三級(jí)。
    2.當(dāng)多根支管同時(shí)交于一節(jié)點(diǎn)，且支管同時(shí)相貫時(shí)，支管按大管徑和壁厚優(yōu)先。
    支管與支管相貫處一律滿焊。
    3.管相貫時(shí)，支管端部的相貫線焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側(cè)面）、C（踵部）三個(gè)區(qū)域。
    4.當(dāng)焊管壁厚≤6mm時(shí)，采用全周角焊縫。
    5.當(dāng)焊管壁厚＞6mm時(shí)，所夾銳角θ≥75º時(shí)，采用全周帶坡口的全熔透焊縫。
    6.當(dāng)焊管壁厚＞6mm時(shí)，所夾銳角θ＜75º時(shí)，A、B區(qū)采用帶坡口的全熔透焊縫，C區(qū)采用帶坡口的部分熔透焊縫（當(dāng)夾角θ＜35º時(shí)可采用角焊縫），各區(qū)相接處坡口及焊縫應(yīng)圓滑過(guò)渡。
    7.對(duì)全熔透和部分熔透焊縫，其有效焊縫高度he>1.15t,且he<1.25t（t為支管的壁厚）。對(duì)角焊縫，最小焊腳尺寸為1.5√ t(t為較厚焊件厚度)。
    8參見(jiàn)圖四。
    主桁架總長(zhǎng)約10m~63m不等，根據(jù)運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)吊裝條件，工廠制作成約10m~20m/榀，然后現(xiàn)場(chǎng)采用加內(nèi)襯管對(duì)焊拼接；次桁架長(zhǎng)度不超過(guò)8.4m，則全部加工成整構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓與主桁架連接。下面為安裝過(guò)程中拍攝的相片。




    七 結(jié)論
    通過(guò)次工程可以看出鋼管桁架結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    1.桁架節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)潔、流暢，可適用于多種結(jié)構(gòu)造型。
    2.剛度大，幾何特性好。鋼管壁一般較薄，截面回轉(zhuǎn)半徑較大，則抗壓、抗扭新性能好。施工簡(jiǎn)單，節(jié)省材料。管桁架由于在節(jié)點(diǎn)處擯棄了傳統(tǒng)的連接件，而將各構(gòu)件直接焊接，故有此優(yōu)點(diǎn)。
    3.利于防銹與清潔護(hù)理。節(jié)點(diǎn)處無(wú)難以清刷、油漆、積留濕氣及大量灰塵的死角和凹槽；構(gòu)件在全長(zhǎng)和端部封閉后其內(nèi)部不易生銹。
    但同時(shí)鋼管桁架結(jié)構(gòu)也存在一些局限性：
    1.相貫節(jié)點(diǎn)加工放樣復(fù)雜，相貫線上的坡口是變化的，手工切割很難作到，故對(duì)機(jī)械加工要求很高。同時(shí)可能由于工藝精度及材料質(zhì)量（如管徑誤差或不夠圓）問(wèn)題導(dǎo)致相貫線不合要求。本工程由于采用的是平面桁架交叉桿體系，制作難度還相對(duì)簡(jiǎn)單，若是空間管桁架，則加工難度更高。管桁架結(jié)構(gòu)均為焊接節(jié)點(diǎn)，要控制焊接收縮量，對(duì)焊接質(zhì)量要求較高。
    相信隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，管桁架結(jié)構(gòu)會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。






    參 考 文 獻(xiàn)

    1. 董石麟等.空間結(jié)構(gòu).中國(guó)計(jì)劃出版社.20034.
    2. 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.科學(xué)出版社.1987,1998(第二版).

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