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2021年  第36卷  第5期

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设计
南通国际会议中心钢结构设计
卜龙瑰, 朱忠义, 邢珏蕙, 唐艺峤, 秦凯, 李昭东, 王学敏
2021, 36(5): 1-6. doi: 10.13206/j.gjgS20071401
摘要:
南通国际会议中心位于南通市崇川区紫琅湖东北岸,建筑总面积约8万m2。建筑平面沿长向分别布置多功能厅和宴会、会议厅两个大功能分区,中间设入口,与大厅连接。建筑平面总长280 m,宽度84 m,功能区结构屋面最大高度23 m。地下1层兼具车库及人防功能,采用混凝土结构;地上1~3层层高不等,由下至上分别为9,6,4.5 m,兼具会议及展示功能。主体采用钢框架结构体系,大跨空间屋顶采用钢桁架结构,最大跨度54 m;顶部造型屋面为自由曲面,最大高度30 m,采用交叉管桁架结构。
结合建筑功能,会议中心主体结构采用钢框架+大跨钢桁架结构体系,造型屋盖采用空间网格结构,整体结构兼具多高层结构及空间结构受力特征。由于结构超长,且因功能区分存在明显的两个结构单元,仅通过入口大厅屋顶及局部的屋盖连接,存在连体薄弱、扭转效应明显、外围支承柱设计等诸多结构设计问题和设计难点。为解决上述难点,从概念设计、计算分析、构造措施等多个方面展开分析研究。通过设置屈曲约束支撑,解决整体结构抗扭能力不足,同时避免普通支撑吸收过多的地震作用而加重支撑框架的负担。针对平面超长、屋盖弱连体的不利条件,采取单体、连体进行承载力包络设计,并对弱连体位置进行局部加强。为实现外围超细柱的建筑效果,依据抗震概念设计,对外围柱约束条件及对应屋盖布置进行优化,将该柱设计为不参与水平抗侧体系的摇摆柱,柱顶及柱底释放抗弯约束,仅提供竖向支承而不参与整体抗侧,此时,支承柱不属于框架柱,长细比构造措施可大幅度降低。对桁架弦杆中箱型转工字型的转换节点,从节点传力机制、加工制作难度方面进行分析,最终采用构造简单,传力可靠的新型节点形式,降低了加工制作及现场施工难度。并结合建筑功能特性,局部采用最新研发的高强耐火耐蚀钢材,起到了很好的示范作用。
京张高铁清河站主站房钢结构设计
傅慧敏, 马彬, 卜龙瑰, 王永, 左晴, 王多民, 郭振勇, 吴文平, 李建华
2021, 36(5): 7-15. doi: 10.13206/j.gjgS20072302
摘要:
清河站造型新颖,西侧立面仰斜,屋面西高东低。为实现京张精品站房"展示结构自然美"的设计理念,结构主站房根据建筑立面及内装修效果要求,采用了建桥合一结构体系。地面以上结构采用钢结构,设计了"A柱+Y柱+直柱支承悬链型钢桁架屋盖"的结构体系。其中A柱西侧支腿倾斜角度与建筑仰斜角度吻合,巧妙地将结构构件融合于建筑立面,同时为结构体系提供了有效的抗侧力支撑及竖向支撑;Y柱为候车厅争取了更宽敞舒适的使用空间,丰富了室内视觉效果,同时减小了屋面两跨主桁架的结构跨度,为屋面结构提供竖向支承;直柱实现了建筑东侧立面的效果,同时为屋面结构体系提供竖向支承;悬链型主桁架梁避免二次结构找形带来的造价及施工难度增加。
此结构体系建桥合一、体系独特。承轨层以下为混凝土结构,承轨层以上为钢结构,两种结构材料的阻尼比不同,上下两部分抗侧刚度存在突变;主站房区进站大厅上空存在大挑空区,候车层楼板不连续;商业夹层为转换结构,竖向构件不连续;钢结构屋盖最大跨度84 m,屋面最大悬挑18 m,建筑最大高度43 m。本工程为复杂组合结构,为此进行了三种结构体系的方案比选(方案1:两端A柱+网架;方案2:两端A柱+中间两柱+网架;方案3:两端A柱+东侧Y柱+桁架),在采取抗震性能化设计后,采用ABAQUS模型进行了结构的动力弹塑性分析,采用ANSYS模型进行了车致振动舒适度的分析,同时对关键节点进行了有限元分析,为结构的安全经济提供可靠的理论支撑。
浙江佛学院二期工程(弥勒圣坛)须弥山结构设计
刘彦生, 马智刚, 李青翔, 崔光海
2021, 36(5): 16-23. doi: 10.13206/j.gjgS20061001
摘要:
浙江佛学院二期是用现代建筑语言进行建设的大型宗教建筑。须弥山及兜率天宫为本工程的核心部分,须弥山为混凝土剪力墙结构,外形为圆筒形状,高度为56.85 m,须弥山顶部设置大平台,由24榀平面悬挑桁架组成,桁架最大悬挑尺寸为22.5 m,悬挑桁架根部支撑于环向布置的24根钢骨混凝土柱上。兜率天宫为钢框架结构,高度为33 m,其最外侧钢柱通过混凝土环梁竖向转换,中间钢柱通过混凝土牛腿与须弥山混凝土筒体连接,最内侧钢柱落在大跨度钢梁上。本工程下部须弥山采用混凝土剪力墙结构,上部兜率天宫采用钢框架结构,上下部刚度差异大,是一种复杂的混合结构形式,且存在悬挑、转换、楼板开洞等特点。
本项目分析中地震加速度按7度(0.1g)参数取值,阻尼比按混凝土0.05、钢结构0.03计算,场地特征周期0.20 s,水平地震影响系数最大值0.08,竖向地震按水平地震影响系数的0.65选取,混凝土剪力墙抗震等级三级,钢结构抗震等级三级。
对须弥山与兜率天宫整体模型和仅考虑须弥山的分模型进行计算分析。结果表明:分模型计算结果与整体模型有较大出入,且分模型计算难于考虑钢结构与混凝土结构的相互影响。为确保设计安全可靠,应采用整体建模和分模型两种模型进行计算并按包络受力进行设计。
须弥山大平台采用24榀平面悬挑钢桁架组成。计算结果表明,悬挑桁架刚度大,舒适度高,悬挑钢桁架一阶面外弹性屈曲荷载系数可达19.1,且根据幕墙安装要求,又增加了3道刚性系杆,悬挑钢桁架整体稳定性满足要求。为确保罕遇地震下受力安全可靠,在悬挑钢桁架根部采用增加混凝土环梁的方式进行构造加强。
对结构进行了多遇地震时程分析和设防烈度地震、罕遇地震分析,结果表明:结构抗震性能满足设防烈度地震弹性要求;罕遇地震下层间位移角均满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求,但罕遇地震下有部分构件屈服。对部分屈服构件进行加大截面处理,对转换部位承托兜率天宫的混凝土梁采用增大截面和配筋的方式进行加强。
珠海新航展馆钢结构选型和设计
陈进于, 区彤, 黄斯林
2021, 36(5): 24-32. doi: 10.13206/j.gjgS20061201
摘要:
作为珠海航展的主展示馆,航展馆屋盖造型新颖,柱位规整,且屋盖结构外露可见,优选建筑美观、受力合理的结构形式——空间四角锥网架+入口巨型桁架组合体系;根据机库门的不同开启模式设计4种不同工况用于风洞试验及后期设计,确保复杂风环境下的结构安全。根据结构特点,分别对屋盖结构形式、分缝做法、网架高度、球节点做法进行技术和经济比较。
根据建筑功能,首次在机库门上方设置三层立体桁架体系,上面两层与网架连接,下弦层作为贵宾厅的建筑使用层,利用机库门两侧的竖向交通空间设置立体桁架柱,与机库门上方的桁架梁构成整体结构刚度。从受力考虑,屋盖设置两道结构缝,分析屋盖传力路径,入口桁架承担了屋盖总荷载的85%。由于结构分缝的关系,网架受力应尽可能往机库门方向传递。采用人工干涉力流理念,对靠近机库门附近的网架横向弦杆进行局部抽空,利用刚度效应使得屋盖力流优先传至巨型桁架结构,满足力流控制需要。在满足舒适度需求下,对上人贵宾厅在不同行走路径下进行了舒适度分析。在满足不停航施工的严苛现场条件下,采用了"超大型构件液压同步提升技术"对整体结构分两次提升的方案。在满足安全、经济、美观的前提下,选择了合理的结构方案,并进行了连接节点设计。本工程用钢量适中,同时圆满完成了工期和成本方面的预期目标,取得了显著的社会和经济效益。
北京信息科技大学图书馆中庭喇叭形网壳结构建模与设计
李占伟, 杨勇, 江洋, 李婷, 耿海霞
2021, 36(5): 33-39. doi: 10.13206/j.gjgS20071201
摘要:
北京信息科技大学图书馆中庭幕墙高25 m,两端粗中间细,形似喇叭,结构形式为单层钢结构网壳,构件采用矩形钢管。由于单层网壳结构非常纤薄,需要重点关注其稳定设计。
以钢结构网壳的稳定问题为切入点,以全流程设计为主线,重点从方案比选、精准建模、二阶直接分析法的应用、边界条件等影响结构稳定的几个主要方面展开论述:1)通过改变环向约束构件的数量,将中庭钢结构分为3种网壳模型进行对比,并从中选出最优的结构模型。2)矩形管网壳结构的建模需要构建两个主轴的其中一个垂直于网壳曲面,常规的解决办法是参数化建模,不易操作。从实用角度出发,给出了用MIDAS结合RHINO软件对矩形管结构精准建模的简化方法。3)应用二阶直接分析法进行结构设计,需要模拟包含结构整体缺陷P0和构件缺陷P-δ0。整体缺陷P0的模拟可以采用将结构形态按第1阶屈曲模态调整的方法,一般通用有限元软件均很容易做到,构件缺陷可以用半个正弦波模拟,矩形管构件的缺陷需要指定方向,目前一般软件尚不能自动考虑构件缺陷形态和方向,这是应用二阶直接分析法的难点之一。为解决该问题,可以采用EXCEL对MIDAS数据文件进行处理。4)单层网壳结构一般对边界条件的自由度要求较高,采用已获得国家专利授权的一种新型网壳结构支座,该支座实现了约束水平位移和灵活释放竖向位移的效果。
通过分析得到:1)由于环向箍的存在,三角形网格方案整体性最好。2)矩形管精准建模方法简单实用,便于设计人员操作。3)构件缺陷P-δ0建模方法,解决了现阶段软件不能自动实现构件缺陷建模的难点。4)新型专利支座很好地满足了模型边界条件对自由度的释放和约束的要求。
温州文化艺术大楼钢结构设计
沈佳星
2021, 36(5): 40-46. doi: 10.13206/j.gjgS20180626
摘要:
温州文化艺术大楼高约48 m,总建筑面积为20 543 m2,地上8层,地下1层,整体结构采用钢框架-中心支撑结构体系。其主要用途为新华书店商铺和温州市越剧团的演出和排练场地,建筑内设排练厅和剧场,内部的空间布局较复杂。该建筑第三层的建筑平面中心设有一个小型剧场,剧场上空大跨度挑空22.8 m,且该层存在较大的楼板错层;由于建筑内设中庭、多部电梯和楼梯,导致各楼层有不少开洞,第四层楼板开洞宽度达到楼面总宽度的约60%。该建筑结构存在楼板不连续、各楼层质量分布不均匀、扭转不规则等问题。
针对上述问题采取以下措施:1)在满足建筑使用功能的前提下,合理地布置柱间支撑,解决结构的扭转不规则问题;2)将第五层楼板加厚为150 mm,适当增加楼板的配筋率,沿楼板大开洞边缘设置闭合的水平支撑,以增加楼板平面内刚度,洞口边的钢梁截面做加强处理,洞口的角部在楼板内设置附加斜向钢筋;3)三楼剧场采用顺观众席斜向坡度设置斜向钢梁,在舞台乐池局部标高变化大的区域利用钢梁自身截面高度,在上翼缘和下翼缘布置楼板,对柱两侧主梁高差变化大的节点设置加腋,剧场上空采用大截面焊接H型钢等。
结果表明:采取错列布置柱间支撑、在楼板大开洞周围布置带状水平支撑、设置加腋和竖向桁架等措施,可保证建筑物的侧向刚度及楼板的平面内刚度,且结构布置满足使用功能,达到了较好的建筑效果。
独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥主梁设计研究
周继, 王新国, 李成, 程先意
2021, 36(5): 47-54. doi: 10.13206/j.gjgS20062801
摘要:
随着铁路安全要求的越来越严格,上跨铁路的市政工程桥梁跨径正在逐渐增大。为解决跨越高速铁路及大型铁路编组站的建设难题,以一座大跨度独柱中央索转体斜拉桥为研究对象,针对主梁设计进行详细研究。跨铁路通道一般为稀缺通道资源,搭载交通功能需求多,桥面往往较宽,若采用混凝土截面,其横向应力很难有效控制,且施工质量很难保证。钢混组合梁工艺复杂且需向铁路局要天窗点,施工时间长,考虑跨越铁路尽量施工方便且对铁路影响降到最低,同时尽量降低转体重量,推荐钢箱梁作为跨铁路桥主梁结构形式。根据斜拉索布置形式及整、分幅钢箱梁类型,共对三种钢主梁横向布置进行比选。由于采用独柱形桥塔且塔高较低,钢箱梁两侧布置的斜拉索将会倾入行车道净空,同时分幅钢箱梁中央护栏区仍存在车辆或异物坠入桥下铁路的危险,推荐中央索面整幅钢箱梁结构形式。在确定斜拉桥主梁结构形式为整幅钢箱梁的基础上,进一步优化钢箱梁梁高。以斜拉桥结构受力状态和钢材用量为优化目标,初步选定三种钢箱梁梁高方案,其截面高度分别为3.0,3.3,3.5 m。从结构受力状态和工程经济性两个方面综合考虑,3.3 m梁高方案对于主梁、桥塔受力及工程材料的节约方面为最佳配置。
为研究宽幅钢箱梁受力性能,以独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥工程实例,开展宽幅钢箱梁设计研究。基于极限状态法,依托JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》开展了钢箱梁静载计算和疲劳计算分析。静载分析包括加载模式、钢箱梁桥面板刚度条件等指标的确定,并基于ANSYS开展了标准钢箱梁和压重区钢箱梁的空间局部应力分析;疲劳验算通过选择合理的疲劳荷载模型和全面考虑疲劳荷载的不同加载位置。静载计算和疲劳验算结果表明:大桥钢箱梁的静载变形和应力满足JTG D64—2015要求,各构件和连接的疲劳应力幅均小于规范限值,并有适当的安全富余,疲劳性能良好。采用杆系、板壳混合有限元法建立混合有限元模型,对独柱宽幅钢箱梁斜拉桥控制性区域跨中节段、塔梁交汇区域与边跨辅助墩区域进行剪力滞效应分析,提炼参数指标,对设计起到了重要指导作用。独柱塔宽幅钢箱斜拉桥主梁具有良好的经济性和美观性,可为大跨度宽幅桥面结构提供借鉴和参考。
钢结构热点探析
本期问题:钢结构设计必须提供防火计算书吗?
邹安宇, 刘卫国
2021, 36(5): 55-56.
摘要: