廈門國際物流中心幕墻鋼結(jié)構(gòu)設計探討

　　伴隨著我國經(jīng)濟技術(shù)實力的迅速騰飛，建筑的外形也發(fā)生了翻天覆地的變化。建筑外幕墻直接決定著建筑外部形象和建筑所在地區(qū)的影響力，也是企業(yè)文化與社會交流的一個窗口，是建筑形象的“外衣”。幕墻要想實現(xiàn)各種造型的外觀要求，其主受力結(jié)構(gòu)非常關鍵，往往會采用結(jié)構(gòu)形式多樣，受力比較合理輕巧的鋼結(jié)構(gòu)體系。這樣必然會對幕墻公司提出更高的設計及施工要求。

　　位于海濱城市的廈門，由我們深圳方大公司承建幕墻工程的廈門國際物流中心工程，其中的主入口鋼結(jié)構(gòu)玻璃挑檐就是一個造型獨特，設計要求極高的設計難點。以下從風荷載取值、鋼結(jié)構(gòu)受力分析計算、鋼結(jié)構(gòu)局部連接幾個方面進行分析探討。


　　1.風荷載取值研究

　　主人口部位屋面玻璃采光頂、弧形玻璃立面以及玻璃挑檐通過一條Z形圓滑過 渡弧線連成一體，玻璃挑檐下方是主入口臺階，風可以進入弧形玻璃立面內(nèi)側(cè)，而且弧形玻璃立面及采光頂兩側(cè)與主體結(jié)構(gòu)有一定的間隙，可透風釋壓。z形鋼架上端與屋頂主體鹼結(jié)構(gòu)柱鉸接連接，下端拐點處與主體硅結(jié)構(gòu)柱頂鉸接連接。Z形鋼架間隔4.2m布置一榻，下端六根主體鹼結(jié)構(gòu)柱間距分別為8.4m、15m、16.8m,16. 8m、15m、8.4m，主體結(jié)構(gòu)柱之間布置一排8[70 x 600 x 25箱形主鋼梁，不在結(jié)構(gòu)柱部位的Z形鋼架下端與箱形主梁鉸接連接。具體鋼結(jié)構(gòu)布置詳見下圖所示。

　　由于該幕墻鋼結(jié)構(gòu)造型復雜，而且下端和內(nèi)側(cè)都可透風，風荷載取值比較復雜，所以委托北京大學力學與工程科學系空氣動力學實驗室對該部位做了風荷載風洞模擬實驗。目前，通過正確的風洞模擬實驗仍然是獲得不規(guī)則形狀建筑物或結(jié)構(gòu)物風荷載體形系數(shù)的有效手段，不過，我們還應根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范進行局部修正和調(diào)整。

　　在對各部位體型系數(shù)研究中，得知弧形立面、頂面的風洞實驗數(shù)據(jù)與荷載規(guī)范數(shù)據(jù)非常接近。而挑檐部位，在迎風面情況下，下方氣流可以進人弧形玻璃立面內(nèi)側(cè)，上方氣流對挑檐有向下的壓力，所有風洞實驗報告中，迎風面情況下Cp=0.45(向下)，我們綜合分析后取Cp=0.5計算。在背風面情況下，氣流對挑檐主要是向上的力，風洞實驗報告中Cp=-0.12,往往雨蓬向上的風荷載會比較大，但考慮到該挑檐下方透風，所以取Cp=-1.0

　　2.鋼結(jié)構(gòu)受力分析計算

　　2.1整體結(jié)構(gòu)概念設計

　　在鋼結(jié)構(gòu)設計的整個過程中應該強調(diào)”概念設計，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。在物流主人口大鋼結(jié)構(gòu)設計中，整體結(jié)構(gòu)概念設計我們是按如下幾個步驟考慮分析的:

　　(1)對鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行整體分析，確定力的傳遞路線及鋼件的布置原則。由于下端主體結(jié)構(gòu)住間距較遠，最大間距為16. 8m，而Z形鋼架間距為4.2m，所以，首先在主體硅結(jié)構(gòu)柱頂布置一排800 x 600 x 25mm箱形主鋼梁，用來支撐Z形鋼架的下支座點。

　　(2)Z形鋼架上端與屋頂主體硅結(jié)構(gòu)梁鉸接連接，下端與主體結(jié)構(gòu)柱頂或者柱間箱形主鋼梁鉸接連接。考慮到柱間鋼梁跨度較大，Z形鋼架下端如果采用固端連接必然會對鋼梁產(chǎn)生很大的扭矩，所以采用鉸接連接，而且鉸接支座高度盡量做到最小，使下支座反力對鋼梁扭轉(zhuǎn)的力臂減小。

　　(3)對Z形鋼架截面反復優(yōu)化，采用圓管析架、方管柑架、實腹式H型鋼以及箱形截面對比分析計算。

　　A、彬架形式受力最合理，用鋼量少，但占空間太大，效果不理想。

　　B、實腹式截面截面會稍大一些，但占空間小。由于桿件主要是彎矩起控制作用，采用H型截面受力合理，但H型內(nèi)側(cè)面交點容易積灰，而且H型鋼連接處較復雜，對該部位而言效果不理想。采用箱形截面受力合理，翼緣根據(jù)計算加厚，連接部位簡潔，外形美觀。

　　所以經(jīng)過反復比較分析后，主要構(gòu)件Z形鋼架截面采用150 x 450 x 12 x 25mm箱形截面，橫向次鋼梁采用100 x150 x5鋼通。


　　2.2采用軟件分析計算

　　由于結(jié)構(gòu)形式復雜，為了保證計算結(jié)果的準確性，我們采用了5AP2000和Rabat兩個大型有限元分析軟件進行計算比較，經(jīng)過軟件多次調(diào)試計算、手算校核對比后，最終計算結(jié)果整理如下:

　　(1)次鋼梁受力較小，采用學Q235B材質(zhì)的鋼材，由于幕墻連接m要最終選用100 x150、5mm鋼方通，最大應力為103.845N/mm²<215N/mm²。

　　(2) 2形主鋼架受力較大，采用Q345B材質(zhì)的鋼材，選用150 x 450 x 12 x 25mm箱形截面，最大應力為242. 452N/mm²，<295NImm²。

　　(3)在Z形鋼架拐點部位，彎矩比較大，所以加大箱形截面高度，采用弧線圓滑過 渡，既提高了拐點強度而且效果美觀。

　　(4)在模態(tài)振形分析時，結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性比較薄弱，所以在頂面兩側(cè)部位，增加兩個交叉斜拉桿，保證鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性。

　　(5)對各種工況組合分析后，1. 2鋼結(jié)構(gòu)自重+1. 2面板及遮陽構(gòu)架自重+1.4正風 壓+0.98活荷載為最不利荷載基本組合工況，桿件應力達到最大。

　　(6)在標準組合工況中，鋼結(jié)構(gòu)自重+面板及遮陽構(gòu)架自重正風壓為最不利標準組合工況，結(jié)構(gòu)撓度變形達到最大。

　　最不利標準組合工況下結(jié)構(gòu)變形示意圖:〔圖為實際變形情況50倍示意)

　　３.鋼結(jié)構(gòu)局部連接

　　連接節(jié)點的設計是鋼結(jié)構(gòu)設計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，鉸接和半剛接。 　　連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大，比如，有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題，但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定，會導致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。

　　在物流主人口大鋼結(jié)構(gòu)設計中，屋頂鋼結(jié)構(gòu)延伸段部位，懸挑鋼梁支座端部與屋頂主體矽結(jié)構(gòu)柱以及屋頂主體鹼結(jié)構(gòu)邊梁連接。在結(jié)構(gòu)柱部位，將懸挑主鋼梁與結(jié)構(gòu)柱中的H型鋼骨固端連接，保證鋼梁支座端部的足夠剛度，與計算模型一致。而邊梁部位，由于結(jié)構(gòu)邊梁在側(cè)邊扭矩作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，不能達到固端支座的要求，所以，懸挑鋼梁與主體結(jié)構(gòu)邊梁連接的支座設計為鉸接支座。

 

　　節(jié)點設計還應考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。考慮不周，往往會出現(xiàn)構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝的現(xiàn)象。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。這個大鋼結(jié)構(gòu)的每福Z形鋼架重量為5噸多，而且要吊裝到30多米高空安裝定位，中間的各福鋼架可以通過先定好上下支座來實現(xiàn)安裝要求，然而兩側(cè)最邊的懸挑鋼架安裝就比較麻煩了，它要在30多米高空實現(xiàn)與屋頂懸挑主鋼梁等強對接，吊裝定位及焊接者陽卜常困難。所以最邊鋼架連接部位我們采用了先臨時固定后等強焊接的方式。具體連接節(jié)點如下:

　　最邊上的鋼架吊裝上去后，先與屋頂懸挑主鋼梁通過節(jié)點板螺栓固定，然后對翼緣板焊接，最后再封兩側(cè)封口腹板。這樣就真正實現(xiàn)了在30多米高空等強對接。

　　簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。所以在鉸接支座節(jié)點設計中，支座肋板的側(cè)邊需設置加強肋板，厚度和尺寸根據(jù)計算確定。


　　4.結(jié)束語

　　建筑的外衣千變?nèi)f化，但結(jié)構(gòu)設計原理和基本理論還是萬變不離其宗，本人通過對多個大型幕墻鋼結(jié)構(gòu)的設計，總結(jié)了以下幾點體會，與大家一起分享。

　　1)將幕墻和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體來研究，選擇最美觀合理的結(jié)構(gòu)形式。

　　2)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分析出各部位的風荷載大小及方向，充分考慮各種荷載及作用的最不利組合情況。

　　3)通過概念設計，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。

　　4)結(jié)構(gòu)建模分析計算，計算模型要與實際結(jié)構(gòu)形式及連接相符合，準確的定義好結(jié)構(gòu)的各邊界條件。同時，要具備扎實的力學功底，用力學原理判斷計算結(jié)果的準確性。 　　5)必須對結(jié)構(gòu)整個體系以及局部構(gòu)件的穩(wěn)定性進行分析計算，以免在設計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。

　　6)局部連接非常重要，需與計算模型相一致，應考慮各種不利因素，有足夠的安全度;

　　７)需對構(gòu)件的加工工藝及運輸安裝有全面的了解，要真正能加工出來安裝到位的結(jié)構(gòu)才是確實可行的設計作品。

參考文獻

　　　　《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，JGJ 102-2003
　　　　《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，GB 50017－2003
　　　　《建筑抗震設計規(guī)范》，GB 50011－2001(2008年版)
　　　　《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，GBS0009－2001(2006年版)

原文地址：http://www.52mqw.com/info/2009-4-16/15095-1.htm 此文由 中國幕墻網(wǎng) www.shanhuiwang.cn 收集整理,未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載!
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