維斯塔斯矩形鋼管空間桁架連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計
[關(guān)鍵詞] 空間桁架,矩形鋼管,大跨度連廊
一、工程概況
維斯塔斯風(fēng)力發(fā)電設(shè)備(中國)有限公司葉片二期擴(kuò)建項目位于天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西區(qū)。項目管理單位為丹麥諾和諾德(天津)工程有限公司。本工程已于2007年竣工。本場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期值為0.45s。場地土為中軟土，場地類別為Ⅲ類，場地屬非液化場地，對建筑抗震屬不利地段�；撅L(fēng)壓0.55 kN/ m2(50年重現(xiàn)期)，基本雪壓0.35 kN/ m2 (50年重現(xiàn)期)。本工程中，新建辦公樓(COMMOM BLDG.)位于已建成的葉片一期辦公區(qū)及生活間(OFFIC & LIVING AREA)東側(cè)，相距13m(軸線距離)。新建辦公樓和原有葉片一期辦公區(qū)及生活間均為混凝土框架結(jié)構(gòu)。業(yè)主要求在這兩座建筑物之間建造一座架空連廊，形成凈寬2m的人行通道。連廊樓面建筑標(biāo)高4.0m，檐口高度7.1m。連廊的結(jié)構(gòu)平面尺寸為：長12.04m，寬2.12m(軸線距離)。出于人性化考慮，業(yè)主要求連廊采用地板采暖。
二、輕鋼結(jié)構(gòu)建筑
建筑從立面美學(xué)效果考慮拒絕連廊自身有外露立柱落地，從而給結(jié)構(gòu)設(shè)計造成了一定難度。由于不能立柱，連廊自身所受重力只能分別傳給兩端與其相連的新建辦公樓和一期辦公區(qū)及生活間。而原一期辦公區(qū)及生活間設(shè)計并沒有考慮承受連廊荷載。為此，要求盡量減輕連廊自重，鋼結(jié)構(gòu)成為首選。設(shè)計采用了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑，樓板采用鋼鋪板，屋面為輕鋼屋面，兩側(cè)外立面采用全玻璃幕。連廊整體凸顯出“輕”的概念。連廊在與一期辦公區(qū)及生活間連接處，為了避免給原有框架梁產(chǎn)生不利影響，設(shè)計了支座鋼梁將連廊荷載直接傳給原有框架柱。在原有框架柱上通過喜利得植筋設(shè)置鋼牛腿，支座鋼梁與該鋼牛腿連接。連廊與新建辦公樓連接處，在新建辦公樓的框架柱上預(yù)留埋件，其上焊接鋼牛腿，連廊荷載通過支座鋼梁傳給該鋼牛腿。
在確定連廊樓面做法時，丹麥建筑師最初擔(dān)心鋼鋪板太輕，行人走動時可能引起樓板顫動，要求采用壓型鋼板上澆注100~120厚混凝土的方案，同時也便于地板采暖。而這顯然與本工程要求盡量減輕荷載相矛盾。通過初步計算也發(fā)現(xiàn)此方案的結(jié)構(gòu)自重太重，超出了原有一期辦公區(qū)及生活間的框架柱及其下基礎(chǔ)的承載能力。為此，改進(jìn)了樓板做法，采用6mm厚鋼鋪板上鋪20mm厚抗壓強(qiáng)度為300KPa的擠塑泡沫保溫板，其上再澆注50mm厚水泥砂漿，砂漿中間敷設(shè)一層電熱絲，最上面鋪2～3.4厚卷裝環(huán)保亞麻地板。這樣既能防止樓板顫動又滿足了地板采暖的要求。
在確定連廊屋面做法時，摒棄了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑常用的屋面鋼梁、鋼檁條、鋼屋面板的方案，采用屋面鋼桁架構(gòu)件上直接鋪設(shè)全防水倒置彩鋼巖棉夾芯屋面板，從而保證了輕屋面同時取得了節(jié)能環(huán)保的要求。
三、空間桁架結(jié)構(gòu)
為了保證連廊整體的空間剛度，采用了鋼矩形管空間桁架結(jié)構(gòu)體系，由四個平面桁架在空間圍合而成。底面為樓面標(biāo)高的平面桁架，頂面為屋面標(biāo)高的平面桁架，正面和背面分別為兩立面桁架。問題是由于連廊固有的建筑功能，兩端須開口形成通道，從而無法形成一個空間剛度更強(qiáng)的空間六面盒式結(jié)構(gòu)。此時，連廊可視為如下圖一所示的空間四面盒式結(jié)構(gòu)。顯然，若忽略各平面相交處的連接剛度，即假定各相鄰平面為“線鉸”連接，則該四面盒式結(jié)構(gòu)將成為空間幾何可變體系，側(cè)向剛度為零，無法承受任何橫向荷載�？梢韵胍姡m然各平面相交處實際按剛性構(gòu)造連接，但其仍將無法滿足結(jié)構(gòu)整體對橫向抗側(cè)剛度的要求。通過PKPM-STS程序分析，在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)橫向?qū)游灰茷?0.7mm，層間位移角為1/99，不滿足規(guī)范要求。為此，將正面和背面兩立面桁架的四根端豎桿在連廊屋面標(biāo)高處用角鋼“夾住”，角鋼通過埋件固定在門洞邊的混凝土柱上，從而在連廊屋面四個角部限制空間四面盒式結(jié)構(gòu)的頂部橫向側(cè)移。連廊樓面標(biāo)高平面桁架、屋面標(biāo)高平面桁架、正背立面桁架以及典型詳圖如下所示。
四、下降式斜桿的平行弦桿桁架
在立面桁架設(shè)計時，優(yōu)選了如下圖所示的下降式斜桿的平行弦桿桁架。在上弦單位節(jié)點荷載作用下，各桿件的軸力標(biāo)注如圖。此時，其受力特點為：上弦受壓，下弦受拉，豎腹桿受壓，斜腹桿受拉，受拉端斜桿軸力最大，合理的發(fā)揮了桿較長者承受拉力的優(yōu)越性。在節(jié)點荷載作用下，整個平行弦桿桁架受力簡潔明確。
五、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003(以下簡稱《鋼規(guī)》)第10.3.4條的理解
矩形管節(jié)點主要有以下幾種破壞模式：主管平壁因形成塑性鉸線而失效，主管平壁因沖切而破壞或主管側(cè)壁因剪切而破壞，主管側(cè)壁因受拉屈服或受壓局部失穩(wěn)而失效，受拉支管被拉壞,受壓支管因局部失穩(wěn)而失效，主管平壁因局部失穩(wěn)而失效;有間隙的K、N形節(jié)點中，主管在間隙處被剪壞或喪失軸向承載力而破壞等。有時幾種實效模式同時發(fā)生�！朵撘�(guī)》第10.3.4條根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料和實驗數(shù)據(jù)對矩形管節(jié)點作了較詳細(xì)的規(guī)定，給出了相關(guān)計算公式，對設(shè)計提供了指導(dǎo)。但筆者在應(yīng)用時曾有如下幾點疑惑：
1.該條文規(guī)定“……為保證節(jié)點處矩形主管的強(qiáng)度，支管的軸心力Ni和主管的軸心力N不得大于下列規(guī)定的節(jié)點承載力設(shè)計值：……”。接著該條文對支管在節(jié)點處的承載力設(shè)計值Nipj的計算公式按節(jié)點形式(T/Y和X形節(jié)點、有間隙的K形和N形節(jié)點以及搭接的K形和N形節(jié)點)分別予以列出。對上述條文，筆者曾一度產(chǎn)生歧義，誤認(rèn)為關(guān)于節(jié)點承載力須同時滿足以下兩個不等式：Ni≤Nipj和N≤Nipj。后經(jīng)查閱文[3]的相關(guān)資料，才得知此處是須滿足Ni≤Nipj和N≤Npj。而不等式“N≤Npj”僅適用于有間隙的K形和N形節(jié)點。該條文對有間隙的K形和N形節(jié)點有如下規(guī)定：“……2)節(jié)點間隙處的弦桿軸心受力承載力設(shè)計值為：Npj=(A-αv Av)f (10.3.4-12)……”。筆者認(rèn)為此處如果規(guī)范對這“N≤Npj適用于有間隙的K形和N形節(jié)點”加以明確就更能讓設(shè)計人員理解透徹了。
2.該條文規(guī)定“……3 支管為矩形管的搭接的K形和N形節(jié)點(圖10.3.4d)：搭接支管的承載力設(shè)計值應(yīng)根據(jù)不同的搭接率Ov按下列公式計算(下標(biāo)j表示被搭接的支管)：
此處，筆者也曾疑惑，上式中Njpj如何計算。后查閱文[3]的相關(guān)資料，才知道Njpj同樣通過公式(10.3.4-14)~ (10.3.4-16)計算。同樣的，如果規(guī)范在此對Njpj計算方式加以明確就能讓設(shè)計人員理解更透徹些。
3.對如下圖所示的三角形腹系再增加豎桿(或斜桿)的屋架節(jié)點，《鋼規(guī)》沒對其加以詳述。筆者覺得以后《鋼規(guī)》升版時值得將其加以補(bǔ)充，以利于指導(dǎo)設(shè)計實踐，因為這樣的三角形腹系再增加豎桿(或斜桿)桁架節(jié)點在實際工程設(shè)計中很常見。通過查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)文[3]對此情況下的節(jié)點承載力計算作了簡要介紹：計算其容許的腹桿內(nèi)力時，仍可按K、N節(jié)點公式進(jìn)行，但應(yīng)用(b1+b2+b3)/3b代替(b1+b2)/2b。此時，驗算原則為：在同一節(jié)點內(nèi)應(yīng)控制任意兩同號腹桿內(nèi)力豎向分量之和應(yīng)小于等于另一異號腹桿節(jié)點允許承載力的豎向分量。
參 考 文 獻(xiàn)
[1].《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003).中國計劃出版社，2003.
[2].《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》. 中國建筑工業(yè)出版社，1974.
[3].包頭鋼鐵設(shè)計研究總院、中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算》第二版.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
