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成都市中房二期工程綜合樓屋面鋼管桁架結構設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    蘇? 丁大益
    [提要] 成都市房地產交易市場二期工程綜合樓A區鋼管桁架結構，平面呈長方體（局部開孔且懸挑較大），側面呈一端上翹的菱形，采用平面鋼桁架交叉桿系結構。本文介紹了結構設計的全過程，同時對鋼結構的地震反應進行了分析，得出的一些結論供相關工程參考。
    [關鍵詞] 管桁架結構，相貫節點，內力組合，抗震分析。
    一、管桁架概述
    管桁架結構（亦稱為管結構、管桁架、鋼管桁架結構）近年來在大跨度空間結構中得到了廣泛的應用。管桁架結構的結構體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區別在于連接節點的方式不同。網架結構采用螺栓球或空心球節點，過去的屋架經常采用板新型節點，而管桁架結構采用在節點處采用桿件間直接焊接的相貫節點（或稱管節點）。在貫節點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通，其余桿件（即支管）通過端部相貫線加工后，直接焊在貫通桿件（即主管）的外表；非貫通桿件可能在節點部位有一定的間隙（間隙型節點），也可能部分重疊（搭接型節點）。相貫線切割曾被視為難度叫高的加工工藝，因為交匯點桿件的數量、尺寸，角度的不同使得相貫線性形態各異，且破口處理困難。但隨著多維數控技術的發展，這些難點一被克服。目前國內一些企業已裝備了相貫線切割機，相貫節點管桁架結構在大跨度建筑中得到了前所未有的應用。
    二、本鋼結構工程概況
    成都市房地產交易市場二期工程，位于四川省成都市后子門，是一個集房地產展覽，辦證大廳，餐飲娛樂，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 。
    該建筑工程設計等級為一級，結構安全等級為二級，結構類型為鋼筋混凝土框架結構，建筑抗震設防烈度為7度。建筑耐火等級為一級，屬一類高層建筑，屋面防水等級為II級，地下室防水等級為一級。
    結構形式：主體為鋼筋砼框架結構，屋頂為平面交叉鋼管桁架體系。建筑結構的安全等級為二級，結構使用年限為50年。重要性系數取1.0。
    整個建筑造型新穎獨特，線條優雅流暢，色彩簡單明快，虛實對比恰當，給人以強烈的現代氣息。尤其是A區菱形屋面，其平面尺寸為104.7MX63.3M，支撐于端部的落地鋼管格構柱高28M，臨街處飛檐出挑12M～21.55M不等，富于動感。
    三、結構方案確定
    最初的鋼結構方案為曲面焊接球形網架，從本項目的平面形狀及體形分析，也不失為一種合理的選擇，可利用焊接球網架桿件布置的靈活性來實現建筑設計的造型。但該方案處理鋼結構同屋面板的連接較為困難，必須通過連接于網架球節點的主副檁條來連接屋面外板和內板。檁條對結構整體剛度沒有貢獻，會造成鋼結構一定的重復用量。
    為避免以上的問題，將檁條作為結構整體的一部分（同時又能同屋面內外板有效的結合），我們確定了以下的方案（見圖一）。
    平面鋼桁架交叉桿系結構－沿字母軸方向按建筑外形的要求設計成平面梭形鋼桁架，沿數字軸方向設計平面桁架式檁條，在必要的位置設立主受力桁架（2，3、4、8、9、10軸TR-A～TR-F）。縱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，同原網架方案相比具有相似的結構整體剛度。
    節點采用相貫式焊接，連接可靠簡潔，可分為幾個構件段分別吊裝，比原網架方案具有安裝上的優勢。縱向桁架式檁條上下弦采用薄壁方鋼管，屋面外、內板可直接連接于桁架式檁條上。
    由于鋼結構附加在鋼筋砼框架結構屋頂，四面開敞，對風的作用非常敏感，設計結構的剛度要充分考慮風振的影響，要使結構在各種可能的荷載作用下，均具有有效恒定的剛度，并應使其固有頻率偏離成都本地風的頻率，避免結構發生共振效應。
    采用此方案經計算比較在不提高鋼材強度的前提下可節約用鋼量約30％。


    四、結構內力分析
    （1）計算模型的確定
    由于結構跨度較大，縱向剛度較弱，取任何一榀計算均不具代表性。因此做內力分析時取完整的結構模型。做地震反應譜分析時，為得到合理的主振型，將鋼砼柱也一并建在模型中，見圖二。
    （2）荷載取值及荷載組合
    a.基本計算數據
    基本風壓 0.30kN/m2
    （風壓高度變化系數為1,風振系數為1.1，體形系數為－2）
    基本雪壓 0.10kN/m2
    建筑所在地區的抗震設防烈度為 7度
    設計基本地震加速度值為0.10g
    設計地震分組為第一組
    場地土類別為III類
    b.屋面荷載
    恒載標準值 0.60 kN/m2（上下弦各0.30 kN/m2）
    主體結構自重由計算程序自動計入
    活荷載標準值 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風載
    組合三：1.2x恒載＋0.85x(1.4x活載＋1.4x風載)
    組合四：1.2x恒載＋1.4x1.0x風載＋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算，水平地震荷載和風荷載組合時考慮與側向水平風荷載同向組合。
    （3）結構的內力和變形計算
    計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譜法，考慮8個模態，
    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載作用下考慮1/500的限值（按最長柱考慮）。地震反應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。
    由于屋蓋結構獨立計算，其下部結構的剛度直接影響到結構內力分析結果，支座剛度的模擬就非常重要，實際分析過程中，每個支座的水平剛度均由計算得出。







    六．制作安裝安過程簡述
    本鋼管桁架所有桿件端頭皆采用相貫線割管機精確切割成相貫線切口，支管壁厚大于等于6mm時切成坡口，支管壁厚小于等于6mm時未不切坡口，支管切割時還考慮主管為曲桿等因素對切割軌跡的影響，下料階段規定不得采用人工修補的方法修正切割完的支管。焊接節點間的桿件長度考慮焊接收縮量，其值通過試驗確定。
    對鋼管相貫線焊縫要求如下：
    1.線焊縫，應沿全周連續焊接并平滑過渡。焊縫的質量等級：全熔透焊縫為二級，角焊縫和部分熔透焊縫為三級。
    2.當多根支管同時交于一節點，且支管同時相貫時，支管按大管徑和壁厚優先。
    支管與支管相貫處一律滿焊。
    3.管相貫時，支管端部的相貫線焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側面）、C（踵部）三個區域。
    4.當焊管壁厚≤6mm時，采用全周角焊縫。
    5.當焊管壁厚＞6mm時，所夾銳角θ≥75º時，采用全周帶坡口的全熔透焊縫。
    6.當焊管壁厚＞6mm時，所夾銳角θ＜75º時，A、B區采用帶坡口的全熔透焊縫，C區采用帶坡口的部分熔透焊縫（當夾角θ＜35º時可采用角焊縫），各區相接處坡口及焊縫應圓滑過渡。
    7.對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）。對角焊縫，最小焊腳尺寸為1.5√ t(t為較厚焊件厚度)。
    8參見圖四。
    主桁架總長約10m~63m不等，根據運輸及現場吊裝條件，工廠制作成約10m~20m/榀，然后現場采用加內襯管對焊拼接；次桁架長度不超過8.4m，則全部加工成整構件，現場采用高強螺栓與主桁架連接。下面為安裝過程中拍攝的相片。




    七 結論
    通過次工程可以看出鋼管桁架結構具有以下優點：
    1.桁架節點形式簡單，結構外形簡潔、流暢，可適用于多種結構造型。
    2.剛度大，幾何特性好。鋼管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，則抗壓、抗扭新性能好。施工簡單，節省材料。管桁架由于在節點處擯棄了傳統的連接件，而將各構件直接焊接，故有此優點。
    3.利于防銹與清潔護理。節點處無難以清刷、油漆、積留濕氣及大量灰塵的死角和凹槽；構件在全長和端部封閉后其內部不易生銹。
    但同時鋼管桁架結構也存在一些局限性：
    1.相貫節點加工放樣復雜，相貫線上的坡口是變化的，手工切割很難作到，故對機械加工要求很高。同時可能由于工藝精度及材料質量（如管徑誤差或不夠圓）問題導致相貫線不合要求。本工程由于采用的是平面桁架交叉桿體系，制作難度還相對簡單，若是空間管桁架，則加工難度更高。管桁架結構均為焊接節點，要控制焊接收縮量，對焊接質量要求較高。
    相信隨著經濟的發展，技術的進步，管桁架結構會得到更為廣泛的應用。






    參 考 文 獻

    1. 董石麟等.空間結構.中國計劃出版社.20034.
    2. 陳紹蕃.鋼結構設計原理.科學出版社.1987,1998(第二版).

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