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摘要：钢结构是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢结构工程由于其强度高、自重轻、造价低、结构性能好、安装便捷等优点被广泛应用于工业厂房、大型公共建筑、高层住宅小区、大型钢桥梁等，进而取代了传统的砖混结构、混凝土框架结构建筑。本文以杭州三堡排涝工程为例阐述了钢结构在大跨度大桁架工程中的应用，对不规则建筑体系的设计起到重要的参考意义。
关键词：钢框架；支撑结构；三堡排涝工程
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
杭州三堡排涝工程是经国务院批准的《太湖流域水环境综合治理总体方案》和《太湖流域防洪规划》、浙江省政府批准的《浙江省太湖流域水环境综合治理方案》、《杭嘉湖地区防洪规划》等推荐实施的扩大杭嘉湖南排工程的子项目，也是浙江省太湖流域水环境综合治理“三大清水环境工程”重点水利项目之一。工程以防洪排涝为主、结合改善水环境综合利用的水利枢纽工程。工程建成后，能进一步完善杭州城市防洪布局、显著提高杭州主城区防洪排涝能力，改善杭嘉湖东部平原和杭州主城区水环境。
工程位于钱塘江与京杭运河交汇区，紧靠杭州大都市的中心——钱江新城核心区，属钱江新城核心区的大型公共建筑，因工艺布置及建筑造型的需要，工程结构设计相对复杂，结构平面和竖向存在较多不规则现象，综合各个因素，本工程采用钢框架——支撑结构体系。
图1三堡排涝工程区块平面位置图
2 工程概况
杭州三堡排涝工程分为地上建筑和地下建筑两部分。地上部分建筑面积8000m2，管理区总占地面积3万m2，建筑高度20.45m，局部5层，中间主厂房属单层厂房。由于使用功能及建筑造型的限制，结构体中存在楼板不连续，竖向抗侧力构件不连续，楼层承载力突变及轴转不规则等多种平面。
图2三堡排涝工程效果图
3 荷载情况
荷载包括楼面恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载等。
3.1 恒荷载
楼面恒荷载按照中国国家规范GB50009-2001《建筑结构荷载规范》[1]，选用下列荷载标准值。
（1）吊顶0.5KN/m2；
（2）附加恒荷载0.96KN/m2；
（3）找平层1.15KN/m2。
3.2 活荷载
（1）办公、会议室2.5KN/m2；
（2）展厅3.5KN/m2；
（3）卫生间2.5KN/m2；
（4）10KV开关10KN/m2；
（5）电梯机房7.0KN/m2；
（6）非上人屋面0.5KN/m2。
3.3 风荷载
基本风压（n=100年）为0.5KN/m2。
3.4 雪荷载
基本雪压（n=100年）为0.5KN/m2。
3.5 地震荷载
根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[2]，该工程的抗震设计参数如下：
地震设防烈度6度设计基本地震加速度值0.05g
抗震设防类型乙类建筑抗震等级4级
4 结构体系分析
4.1 抗侧力体系
本工程鉴于建筑与结构的结合考虑，左右两部分抗侧力体系采用钢框架——支撑体系，其优点为满足大悬挑及大跨度的结构要求，自重较轻对下部基础影响较小，同时节省施工时间。
4.2 楼板体系
本工程楼板根据结构体系及施工方便的要求，采用混凝土组合楼板，楼板厚度为120。
4.3 不规则形状分析
4.3.1 扭转不规则
考虑结构的扭转不规则性时，不采用弹性板假设。另外还应考虑5%的偶然偏心。当最大层间位移或水平位移大于结构两端层间位移的平均值的1.2倍时，将考虑存在扭转不规则。如果上述比值超过1.5时，将视为严重扭转不规则。
4.3.2 楼板不连续
楼板不连续是指横隔板发生尺寸的突变，包括有开口或开洞尺寸超过该层楼板典型宽度的50%或开洞面积大于该楼层面积约30%，或有较大的楼层错层。本工程由于水泵安装的需要，左单元自二层至五层局部通高，属于楼板不连续。右单元二、三层配电间通高，楼板不连续，楼板不连续比例为36%（二层），23%（三层）。
4.3.3 竖向不规则
竖向抗侧力构建的不连续，指构件的偏移大于构件长度方向尺寸，或者是在下层抗侧力构件抗侧刚度较大的减弱。本工程部分三层以上柱不落地存在转换，属于竖向抗侧力构件不连续。楼层承载力存在突变，存在薄弱层，薄弱层是指抗侧结构的受剪荷载小于相邻上一楼层的80%，其中楼层层间抗侧力结构的受剪承载力是指在所考虑的方向上承担地震荷载的构件的受剪承载力之和。
5 计算软件和计算模型
本工程上部结构采用钢框架——支撑结构体系。因本工程为超限工程，采用两个不同计算模型软件进行计算。分析软件为中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）》（SATWE）(2010.9)、《复杂空间结构分析及设计软件》（PMSAP）(2010.9)和北京金土木软件技术有限公司《ETABS》（V9.1）。下面就其计算模型进行介绍。
本工程抗震设防烈度6度，抗震构造措施按7度考虑，建筑结构安全等级为二级，使用年限为100年的乙类抗震设防建筑。
图3中侧结构抗侧力体系三维图
（1）左单元因楼板不规则，故采用弹性膜单元假定。右单元除屋顶采用弹性膜假定外，其余采用刚性楼板假定。
（2）侧向刚度较柔的建筑物，哎风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移△，由于结构在竖向荷载P的作用下，使结构进一步增加侧移值且引起结构内部各构件产生附加内力。这种使结构产生几何非线性的效应，称之为重力二阶效应。由于P-△效应的影响，将降低结构的承载力和结构的整体稳定。结合本工程的特点在进行计算时考虑P-△效应。
（3）本工程左右两单元地下室1层，埋深约4.5m，根据带地下室模型的剪切刚度计算结果可以看出地下室的侧向刚度为二度侧向刚度的3.2倍以上。根据规范地下室顶板可以作为上部建筑的嵌固层。因此在进行计算时，可以从一层开始建模。
6 加强措施
根据体块的特殊性，制定了一系列针对性措施。
（1）加设支撑，增加结构整体刚度，减小层间位移，降低扭转不规则的影响。
（2）由于工艺要求，楼板不连续，在不连续楼板的两侧加强板厚，按弹性板结构进行双层双向配筋。在只有屋面钢梁连接的地方，计算时考虑将屋面连接断开，前后两个部分分别独立计算，结果显示两部分刚度、稳定等均满足规范要求。
（3）竖向抗侧力不连续的情况。悬挑采用钢桁架，内力和变形满足要求。加强悬挑根部的设计，在考虑建筑使用要求的前提下设落地支撑，并将该部分支撑伸至屋顶，使四层刚度不至于突变，尽量使结构的重心远离悬挑处。在框架梁上下翼缘处均加设隅撑，以避免罕遇地震下梁发生侧向屈曲，加大柱截面，提高结构安全度。上部分钢柱伸入地下室混凝土柱内一层，用十字型钢骨进行转换，混凝土柱每邊比钢柱扩大150mm。
七、结语
通过对杭州三堡排涝工程的分析，在大跨度大桁架工程中应用钢结构是十分必要的，特别是在不规则结构当中，引用支撑，大大加强了结构的稳定性。本工程结构的细部设计对结构起到极其关键的作用，对不规则建筑体系的设计具有重要的参考意义。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部.GB50009-2001《建筑结构荷载规范》 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2] 中华人民共和国建设部.GB50011-2010《建筑抗震设计规范》 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.
作者：张飞珍（1979.12），女，工程师，大学本科，主要从事水利工程建设管理工作。
关键词：钢框架；支撑结构；三堡排涝工程
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
杭州三堡排涝工程是经国务院批准的《太湖流域水环境综合治理总体方案》和《太湖流域防洪规划》、浙江省政府批准的《浙江省太湖流域水环境综合治理方案》、《杭嘉湖地区防洪规划》等推荐实施的扩大杭嘉湖南排工程的子项目，也是浙江省太湖流域水环境综合治理“三大清水环境工程”重点水利项目之一。工程以防洪排涝为主、结合改善水环境综合利用的水利枢纽工程。工程建成后，能进一步完善杭州城市防洪布局、显著提高杭州主城区防洪排涝能力，改善杭嘉湖东部平原和杭州主城区水环境。
工程位于钱塘江与京杭运河交汇区，紧靠杭州大都市的中心——钱江新城核心区，属钱江新城核心区的大型公共建筑，因工艺布置及建筑造型的需要，工程结构设计相对复杂，结构平面和竖向存在较多不规则现象，综合各个因素，本工程采用钢框架——支撑结构体系。
图1三堡排涝工程区块平面位置图
2 工程概况
杭州三堡排涝工程分为地上建筑和地下建筑两部分。地上部分建筑面积8000m2，管理区总占地面积3万m2，建筑高度20.45m，局部5层，中间主厂房属单层厂房。由于使用功能及建筑造型的限制，结构体中存在楼板不连续，竖向抗侧力构件不连续，楼层承载力突变及轴转不规则等多种平面。
图2三堡排涝工程效果图
3 荷载情况
荷载包括楼面恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载等。
3.1 恒荷载
楼面恒荷载按照中国国家规范GB50009-2001《建筑结构荷载规范》[1]，选用下列荷载标准值。
（1）吊顶0.5KN/m2；
（2）附加恒荷载0.96KN/m2；
（3）找平层1.15KN/m2。
3.2 活荷载
（1）办公、会议室2.5KN/m2；
（2）展厅3.5KN/m2；
（3）卫生间2.5KN/m2；
（4）10KV开关10KN/m2；
（5）电梯机房7.0KN/m2；
（6）非上人屋面0.5KN/m2。
3.3 风荷载
基本风压（n=100年）为0.5KN/m2。
3.4 雪荷载
基本雪压（n=100年）为0.5KN/m2。
3.5 地震荷载
根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[2]，该工程的抗震设计参数如下：
地震设防烈度6度设计基本地震加速度值0.05g
抗震设防类型乙类建筑抗震等级4级
4 结构体系分析
4.1 抗侧力体系
本工程鉴于建筑与结构的结合考虑，左右两部分抗侧力体系采用钢框架——支撑体系，其优点为满足大悬挑及大跨度的结构要求，自重较轻对下部基础影响较小，同时节省施工时间。
4.2 楼板体系
本工程楼板根据结构体系及施工方便的要求，采用混凝土组合楼板，楼板厚度为120。
4.3 不规则形状分析
4.3.1 扭转不规则
考虑结构的扭转不规则性时，不采用弹性板假设。另外还应考虑5%的偶然偏心。当最大层间位移或水平位移大于结构两端层间位移的平均值的1.2倍时，将考虑存在扭转不规则。如果上述比值超过1.5时，将视为严重扭转不规则。
4.3.2 楼板不连续
楼板不连续是指横隔板发生尺寸的突变，包括有开口或开洞尺寸超过该层楼板典型宽度的50%或开洞面积大于该楼层面积约30%，或有较大的楼层错层。本工程由于水泵安装的需要，左单元自二层至五层局部通高，属于楼板不连续。右单元二、三层配电间通高，楼板不连续，楼板不连续比例为36%（二层），23%（三层）。
4.3.3 竖向不规则
竖向抗侧力构建的不连续，指构件的偏移大于构件长度方向尺寸，或者是在下层抗侧力构件抗侧刚度较大的减弱。本工程部分三层以上柱不落地存在转换，属于竖向抗侧力构件不连续。楼层承载力存在突变，存在薄弱层，薄弱层是指抗侧结构的受剪荷载小于相邻上一楼层的80%，其中楼层层间抗侧力结构的受剪承载力是指在所考虑的方向上承担地震荷载的构件的受剪承载力之和。
5 计算软件和计算模型
本工程上部结构采用钢框架——支撑结构体系。因本工程为超限工程，采用两个不同计算模型软件进行计算。分析软件为中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）》（SATWE）(2010.9)、《复杂空间结构分析及设计软件》（PMSAP）(2010.9)和北京金土木软件技术有限公司《ETABS》（V9.1）。下面就其计算模型进行介绍。
本工程抗震设防烈度6度，抗震构造措施按7度考虑，建筑结构安全等级为二级，使用年限为100年的乙类抗震设防建筑。
图3中侧结构抗侧力体系三维图
（1）左单元因楼板不规则，故采用弹性膜单元假定。右单元除屋顶采用弹性膜假定外，其余采用刚性楼板假定。
（2）侧向刚度较柔的建筑物，哎风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移△，由于结构在竖向荷载P的作用下，使结构进一步增加侧移值且引起结构内部各构件产生附加内力。这种使结构产生几何非线性的效应，称之为重力二阶效应。由于P-△效应的影响，将降低结构的承载力和结构的整体稳定。结合本工程的特点在进行计算时考虑P-△效应。
（3）本工程左右两单元地下室1层，埋深约4.5m，根据带地下室模型的剪切刚度计算结果可以看出地下室的侧向刚度为二度侧向刚度的3.2倍以上。根据规范地下室顶板可以作为上部建筑的嵌固层。因此在进行计算时，可以从一层开始建模。
6 加强措施
根据体块的特殊性，制定了一系列针对性措施。
（1）加设支撑，增加结构整体刚度，减小层间位移，降低扭转不规则的影响。
（2）由于工艺要求，楼板不连续，在不连续楼板的两侧加强板厚，按弹性板结构进行双层双向配筋。在只有屋面钢梁连接的地方，计算时考虑将屋面连接断开，前后两个部分分别独立计算，结果显示两部分刚度、稳定等均满足规范要求。
（3）竖向抗侧力不连续的情况。悬挑采用钢桁架，内力和变形满足要求。加强悬挑根部的设计，在考虑建筑使用要求的前提下设落地支撑，并将该部分支撑伸至屋顶，使四层刚度不至于突变，尽量使结构的重心远离悬挑处。在框架梁上下翼缘处均加设隅撑，以避免罕遇地震下梁发生侧向屈曲，加大柱截面，提高结构安全度。上部分钢柱伸入地下室混凝土柱内一层，用十字型钢骨进行转换，混凝土柱每邊比钢柱扩大150mm。
七、结语
通过对杭州三堡排涝工程的分析，在大跨度大桁架工程中应用钢结构是十分必要的，特别是在不规则结构当中，引用支撑，大大加强了结构的稳定性。本工程结构的细部设计对结构起到极其关键的作用，对不规则建筑体系的设计具有重要的参考意义。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部.GB50009-2001《建筑结构荷载规范》 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2] 中华人民共和国建设部.GB50011-2010《建筑抗震设计规范》 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.
作者：张飞珍（1979.12），女，工程师，大学本科，主要从事水利工程建设管理工作。