鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：貴陽漁安中天文化活動中心位于貴陽市漁安新城區，建成后將成為中天城投集團銷售中心和文化中心。本建筑地上主體部分由3個館組成，且均為鋼結構。其中1號館為鋼框架與鋼拉桿體系、2號館為鋼框架與鋼桁架支撐體系、3號館為純鋼框架體系; 1號館內部設一獨立云鋼結構為空間網架結構。該建筑結構體系極其復雜，在設計過程中采用了PKPM、ETABS等多種軟件進行結構計算、分析、設計。本文主要介紹該文化活動中心的鋼結構設計。
關鍵詞：文化活動中心 鋼框架結構 空間鋼結構 ETABS
1 結構與體系
1.1 項目概況
貴陽漁安中天文化活動中心位于貴陽市漁安新城區，整體長約102m，寬約61m，高約21m，基底面積約5329 m2，地下2層總為車庫、設備、庫房，地下面積約為12600 m2，地上3層為活動室、辦公、服務，地上面積約為8816m2。建成之后該建筑將成為中天城投集團銷售中心和文化活動中心。
1.2 結構體系
本工程地下為鋼筋混凝土結構，地上為鋼結構，地上部分又分為3個獨立的小館，1#館長約59m，寬約23m，共一層高約20m，外部為預應力拉索幕
墻結構，荷載較大，結構形式采用鋼框架加鋼拉桿結構體系，為了減少柱的計算長度，在9.8m標高位置增設了一圈外框梁；3號館分三層，樓板采用鋼筋桁架樓承板，上人樓面，荷載大，建筑外形規則，結構傳力簡單明確，采用圓鋼管柱加H型鋼梁鋼框架結構體系即滿足使用要求；2號館總體分三層，鋼筋桁架樓承板，荷載大。另建筑外形復雜，高低錯落，局部區域跨度大，樓面部分區域有覆土及大型機房，同樣采用鋼框架加鋼桁架結構體系；1#館內部云鋼結構，外形獨特，空間桿件錯綜復雜。云結構沿豎向分為9個平面，每個平面間距2m，水平向桿件都布置于每個平面中，而沿長度方向分為若干個間距3.3m豎向立面，豎向桿件布置在各立面中，橫向及豎向各桿件交匯形成即空間網架結構。各館部分建筑平立面及結構相關圖詳圖1～圖11。
1.3 結構整體性能
根據各計算結果，三小館前三周期分別見表2～表4：
表1 1#館前三周期
從表1可以看出，1號館結構周期較長，結構偏柔，原因是結構柱距大，沒有樓板，屋面及側面梁稀疏大部分通過拉桿來連接。
圖1 首層平面建筑圖（貴陽漁安中天文化活動中心）
圖2 二層平面建筑圖
圖3 1號館立面圖
圖4 1#館三維圖
圖5 2#館a-1軸立面圖
圖6 2#館a-2軸立面圖
圖7 2#館三維圖（貴陽漁安中天文化活動中心）
圖8 云結構三維圖
圖9 云結構俯視圖
圖10 3號館二層平面圖（貴陽漁安中天文化活動中心）
圖11 3號館屋面平面圖
表2 2號館前三周期
表3 3#館前三周期
2號館，3號館各三層，且層高相當，從表2，表3中看出，2號館周期明顯比3#館的要長，原因是2#結構跨度大，內部有高低錯層，剛度較弱，結構荷載大。
結構在X、Y方向地震作用下的基底總反力如表4：
表4 地震作用下基底反力表（kN）
1號館基底反力偏小主要是因為結構沒有樓板，結構總質量少。
各館在地震力作用下最大位移見表5。
表5 地震作用下最大位移（mm）
從表5可以看出，3號館整體剛度較大，位移較小，2號館位移較大，剛度較柔。以上位移均遠少于1/350。
2 構件設計與構造
2.1 構件設計
根據三個獨立的小館的結構形式采用不同的設計軟件對其進行計算分析。1號館結構規則，樓層簡單，建筑要求應用鋼拉桿，運用ETABS建模可滿足結構計算要求；2號館外形多變，空間關系復雜，結構形式也用了鋼拉桿，分析時也采用ETABS進行結構計算；3號館結構樓層清晰，且梁柱形式簡單，故用PKPM做結構分析設計；1號館內部云結構形狀極為不規則，且復雜多變，是一個純空間結構，因此采用SAP2000進行結構計算。
鋼構件設計是鋼結構設計中最為重要的一環，構件截面大小將決定結構的安全性及舒適性，而截面的形狀不僅影響建筑立面效果，更關系到鋼結構加工制作與安裝，進而影響工程的施工進度。
1號館中所有柱均采用矩形鋼柱B600×600×24×24內部灌C50級混凝土，柱鋼材為Q235B，屋面鋼框梁截面為B900×600×20×30，9.8m標高位置鋼框梁截面為B600×600×16×16，拉桿Ф50實心鋼拉桿，鋼梁及鋼拉桿材質均為Q345B；2#館構件截面較多，柱截面為Ф800×30、Ф600×20圓鋼管柱，其內部均灌C50級混凝土，梁截面均為H型鋼梁；3號館柱Ф800×30，梁為H型鋼；1號館內部云結構縱向構件截面為Ф350×16，橫向構件截面為Ф350×8，底座環形鋼梁為H600×600×12×16，材質均為Q235B。該工程主要構件截面詳見表6:
表6 構件截面表
本項目為文化活動中心，人流密集，結構跨度大；局部區域還有大型機房及覆土，結構荷載大；大面積幕墻結構，預應力拉索荷載大。人員活動時結構會產生豎向振動，為了避免結構產生共振，減少人行不安全舒適感，結構上部豎向自振頻率不應小于3Hz。因此本結構計算并不是由結構擾度控制，而是由結構舒適度控制。結構豎向自振頻率由式2.1確定：
2.1
從式2.1中可以看出結構自振頻率與結構總剛度的平方根成正比，與結構總質量平方根成反比，要提高結構的豎向自振頻率，則增強結構自身剛度。
經計算分析2#館與3#館樓板的豎向自振頻率分別為3.125 Hz和3.45Hz，均大于3.0Hz，滿足要求。
2.1 節點及構造
鋼結構節點設計在鋼結構設計中占據著舉足輕重的作用，節點設計的好壞直接影響到鋼構件搭接的可靠性和整個結構的安全性。規范也明確規定：強節點弱構件，正是通過一個個強節點才把松散的鋼構件連接成一個整體，形成結構總剛度。鋼結構工程中節點一般分為柱腳節點，梁柱節點，支撐節點，梁梁節點及拉桿節點等。
柱腳節點是連接上部鋼結構與下部其它結構的橋梁，關系到上部鋼結構的整體穩定與安全。本工程中主體鋼結構柱腳節點主要采用埋入式柱腳：環形柱底板與柱采用坡口焊焊接，底板通過錨栓與下部混凝土或基礎連接，柱壁打栓釘使鋼柱與外部混凝土咬合，這種節點形式簡單，傳力明確，加工制作方便，安裝容易，詳如圖12：
圖12 埋入式柱腳
梁柱節點是保證橫向構件梁上荷載順利傳遞到豎向構件柱的一種連接形式。本項目梁柱節點均采用內隔板式梁柱連接：內隔板開灌漿孔及通氣孔，兩隔板之間加豎向加勁板與柱內壁全熔透焊接，當兩邊梁不等高時，矮梁采用加腋處理，如圖13：
圖13 內隔板式梁柱連接
該工程梁和桁架支撐都采用H型鋼，容易加工制作，節點連接簡單，支撐節點在節點域將支撐進行放大處理并在梁柱位置加設與支撐翼緣等厚的加勁板。梁梁連接分梁梁剛接和梁梁鉸接，其中鉸接只用螺栓連接次梁的腹板，次梁翼緣板不與主梁焊接。如圖14，15：
為滿足建筑的立面和幕墻要求，在1號的側面及屋面都設計有Ф50鋼拉桿，其節點形式主要是通過50厚鋼板來連接鋼拉桿與主結構，連接板上打孔連接拉桿，這種連接方式簡單可靠，施工方便，詳見圖16,17。
3 結 論
本項目鋼結構整體分為三個小館，依據各小館的建筑特點及幕墻要求采用不同的結構體系，并通過不同的結構軟件對其進行分析與計算，在保證結構安全可靠的前提下，滿足結構的舒適度要求。在結構設計過程中通過對鋼構件截面的選取，來實現鋼結構加工與制作及安裝的便利，從來節省工期和造價，這是本項目的最大特點。
參考文獻
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