柳州會展中心鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計難點與分析

       摘要：本文介紹了柳州會展中心鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的難點，包括結(jié)構(gòu)分析、異型柱截面代換計算、柱計算長度的取值、復(fù)雜節(jié)點設(shè)計以及狹長樓板振動分析等。通過等效剛度代換，解決了異型柱截面在軟件里無法直接輸入的問題;通過MIDAS及SAP2000軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體屈曲分析，較好的解決了異型柱計算長度取值難計算的問題;根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點，提出了較好的節(jié)點處理形式;通過對狹長樓板的振動分析，保證了樓板的舒適性。

　　關(guān)鍵詞：異型柱, 計算長度, 屈曲分析, 振動分析

　　1 工程概況

　　柳州會展中心 位于柳州市柳東新區(qū)，西邊臨柳江，與三江門風(fēng)景區(qū)隔河相望;北鄰城市快速路柳東大道，濱江城市休閑帶;東面與大片的城市風(fēng)景林帶相接，是聯(lián)系柳州老城區(qū)與柳東新區(qū)的重要空間結(jié)點。

　　該項目地下一層，地下面積4628.69m2，地上一層(局部二層、三層)，地上面積31038.24m2，建筑高度30.15m，會展中心鋼結(jié)構(gòu)柱頂高跨跨度64.5m，總用鋼量約9900t。建筑的三維效果圖如圖1，圖2所示。

　　2 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)分析

　　該工程平面尺寸為78mx316m，縱向超長，因此將結(jié)構(gòu)縱向劃分為A、B兩個區(qū)段。根據(jù)平面尺寸特點，橫向采用鋼框架，縱向采用鋼框架+支撐的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的橫向框架剖面如圖3所示。該結(jié)構(gòu)屋面跨度為64.5m，柱距21m，屋面采用管桁架結(jié)構(gòu)體系;由于柱距較大，為了配合屋面的輕鋼結(jié)構(gòu)，在二層樓面處設(shè)置縱向人字支撐，用以支撐兩榀橫向框架之間的管桁架，從而減小檁條的跨度，同時提高結(jié)構(gòu)的縱向抗側(cè)剛度。

　　

　　由于該工程為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，選用具有強(qiáng)大計算分析能力的三維計算軟件MIDAS7.8版進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析。由于建筑軸線為弧形，且造型復(fù)雜，故采用三維CAD進(jìn)行輔助建模，

　　在CAD里完成三維線條建模后，再導(dǎo)入MIDAS軟件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體建模，整體模型如圖4、圖5所示。通過MIDAS的整體計算分析，在地震與風(fēng)荷載的作用下，A區(qū)結(jié)構(gòu)的第一周期為1.06s(平動)，第二周期0.57s(扭轉(zhuǎn))，第三周期0.42s(平動)，周期比0.57/1.06=0.54小于0.9，滿足要求;地震作用下最大側(cè)向位移1/4195，風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移1/7976，滿足設(shè)計要求。

　　

　　3異型柱的截面等剛度代換

　　本工程采用的柱截面形式有多種，包括箱型的，“日”字型的，以及 “雙目”字型截面等，對于“雙目”字型截面，軟件無法直接輸入，為計算簡便，采取等剛度代換(包括抗彎剛度與軸壓剛度)的原則把異形柱截面代換為常規(guī)的箱型截面。

　　4異型柱的計算長度的確定

　　由于建筑外形的需要，柱子采用異型純鋼柱(折型柱，詳見圖3)，不同于常規(guī)的直柱，所以對于本工程，柱子的計算長度如何確定是關(guān)鍵。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)，計算長度的計算方法有兩種：一種是以多項假定為基礎(chǔ)，分別對框架結(jié)構(gòu)有側(cè)移、無側(cè)移情況建立臨界狀態(tài)的平衡方程，求解框架柱的計算長度系數(shù);另一種是對框架結(jié)構(gòu)施加假想水平力的近似二階分析方法。而本工程結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，屬非常規(guī)結(jié)構(gòu)，規(guī)范提供的兩種計算方法并不適用，故本工程采用整體屈曲分析進(jìn)行求解，具體過程為：

　　(1)對給定的荷載組合采用線性分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到所有柱子的軸力;

　　(2)以這一荷載工況的組合軸力pj作為標(biāo)準(zhǔn)，乘以屈曲因子;

　　(3)形成有限元分析的剛度矩陣，進(jìn)行特征值分析，得到臨界荷載因子;

　　(4)求得臨界荷載，利用歐拉公式臨界力Ncr=π2EI/l2，反算桿件的計算長度。

　　采用MIDAS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈分析，考慮的工況為1.35恒載+0.98活載。如圖6所示，結(jié)構(gòu)在第120 模態(tài)時柱子發(fā)

　　

　　生明顯的屈曲，此時對應(yīng)柱子的臨界軸力為Pcr=24540kN，由歐拉公式反算出異形柱計算長度l=41.6m。為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用同樣的方法，用SAP2000軟件進(jìn)行復(fù)核計算，計算結(jié)果為異形柱計算長度l=38.5m，實際設(shè)計時，取MIDAS計算結(jié)果，即柱計算長度取41.6m。

　　5 節(jié)點設(shè)計

　　本工程為空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)，節(jié)點形式較為特殊，本文著重介紹以下幾處節(jié)點：

　　(一)直柱與斜柱連接節(jié)點：直柱與斜柱相交形成“單K”或“雙K”節(jié)點，節(jié)點形式按方管與方管相貫處理，相貫處增加橫向隔板;

　　(二)縱向柱間斜撐與管桁架連接節(jié)點：按類似球形支座節(jié)點進(jìn)行設(shè)計，如圖7所示;

　　(三)屋面管桁架節(jié)點：該節(jié)點為圓管與圓管相貫節(jié)點，按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求進(jìn)行計算及構(gòu)造要求;

　　(四)斜柱柱頂與管桁架連接節(jié)點：屋面管桁架與框架斜柱連接按相貫節(jié)點處理，柱子與圓管相貫部位增加構(gòu)造加勁肋，如圖8所示。

　　6狹長樓板振動分析

　　該結(jié)構(gòu)有部分樓板區(qū)間為3mx21m，屬于狹長樓板，考慮到人在行走時樓板容易產(chǎn)生振動，從而影響人的舒適度，因此有必要進(jìn)行樓板振動分析。文獻(xiàn)[1]提供了樓板振動分析的計算方法，主要包括豎向自振頻率fn的控制(滿足fn≥3Hz)和峰值加速度的控制(滿足ap/g=p0e-0.35fn/βω)≤a0/g)，本文計算結(jié)果為fn=7.8Hz>3Hz，ap/g=0.288%<0.5%，滿足設(shè)計要求。

　　

　　7結(jié)語

　　隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在多高層建筑尤其是復(fù)雜空間建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文結(jié)合柳州會展中心的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的柱計算長度取值問題、柱等效剛度代換問題、復(fù)雜空間節(jié)點問題以及非常規(guī)樓板振動問題等提出了較好的處理方法，對類似工程有借鑒作用。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]張建軍，劉瓊祥，郭滿良等. 深圳大運(yùn)中心體育場空間鋼結(jié)構(gòu)桿件計算長度研究[J]建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報2011,32(5)：39~47;

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