论文部分内容阅读
[摘要]本文介绍了商业中心钢结构采光顶设计过程，自平衡体系的采用和主要结构设计问题的处理方法等。
[关键词]商业中心;采光顶;自平衡体系;支座反力;温度应力[Abstract] This paper introduces commercial center steel structure roof design process, self balancing system and the main structure of the design problem of the processing methods.
[keyword]: Commercial center; roof; self equilibrium system; support force; temperature stress
中图分类号：TB482.2文献标识码：A文章编号：2095-2104
工程概况
该商业中心地处港口城市宁波北仑，建筑体量3万多平米，定位是北仑最大商业体量的休闲、娱乐、购物中心。建筑主要分南北两块，中间一个大型露天中庭，北边屋顶中部设有一个椭圆形采光顶，两个圆形采光顶，四个扇形采光顶。 采光顶建筑效果图
椭圆形采光顶长轴46.15m，短轴37.55m，屋顶最高点高于柱顶1m，屋顶两个方向均有弧度利于排水。建筑要求突出主次梁比例关系，主梁外形为梭形，类似船底，主梁中部最大宽度为1m，主梁后期装修铝塑板外包，主次梁撑杆须包在主梁内，由于商业中心的特殊外观要求，采光顶后期所有结构均外包。
基本设计参数
工程设计基准期为50年，结构使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，场地土类别为Ⅳ类。
结构材质为Q345，玻璃及配件、次梁1.2kN/m2，悬挂荷载0.2 kN/m2，活荷载0.5 kN/m2，基本雪压0.3 kN/m2，基本风压0.7 kN/m2。钢结构整体温差为升温+15℃，降温-30℃.主梁外包后尺寸
椭圆形采光顶钢管桁架方案设计
结构的自平衡体系
结构的自平衡体系是指结构无论在成形态还是受荷态，结构内部都存在一个或多个应力回路，这使得结构中的荷载效应可部分或全部抵消，并在施加预应力的过程中可有效地减少预应力的损失。
结构的自平衡体系有很多种形式，张弦结构是其中的一种由结构自身构成的自平衡体系，近十余年来在大跨度建筑中获得快速应用和发展。张弦结构由刚度较大的刚性构件（通常为梁、拱或桁架）和柔性的弦（通常为高强索、也可采用钢棒、扁钢等）以及连接两者的撑杆组成，通过对柔性构件施加预张力，使体系成为具有整体刚度的结构。
张弦结构本身为一完整的自平衡体系，其一端支座通常为可滑动支座，刚性构件在支座处的水平推力可以通过支座的滑动来与索的拉力平衡。结构对边界约束要求的降低，极大地简化了施工作业。
1997年建成的上海浦东国际机场候机楼是我国首次将张弦梁结构应用于大跨度建筑中，其中最大跨度82.6m，跨中高度11m。另外还有国家体育馆，广州国际会展中心，北京工业大学体育馆等。
结构体系比较
由于建筑要求主梁体量要做的相对大，次梁高度控制在0.6米以内，以形成强烈对比的建筑效果，所以结构只能做成平面体系，另一个方向的次梁只起减小主桁架杆件的平面外计算长度的作用。
主桁架间距6m，次桁架间距6m，主桁架跨中高度取2m，柱底刚接，柱顶铰接。现对最大跨度主桁架的几种结构形式做比较，比较结果如下表：（其中桁架（上）表示柱子支撑于桁架上弦，桁架（下）表示柱子支撑于桁架下弦）
从上表中可以看出，当采用简支梁时，梁截面非常大，自重也很大，这样用材不经济，结构竖向力也会相应增大；当桁架支撑在下弦时，柱底的水平推力很大，大约是竖向力的1.5倍，这样柱底弯矩也非常大，导致支座很难设计；当桁架支撑在上弦时，这时也是一个自平衡体系，但是应力回路不简洁，没有完全抵消结构中的荷载效应；当采用自平衡桁架时，柱底基本没有水平力和弯矩，自重也是最小的。
自平衡体系没有斜向的腹杆，设计中由于造价问题，下弦没有采用预应力索，而是采用了圆钢管，考虑到弦杆与腹杆焊接的可靠性，增加了斜向腹杆。
结构布置
在椭圆短轴方向，布置6榀主桁架，间距6m，主桁架跨中高度2m，逐步向支座减小；长轴方向布置方钢管次梁，次梁高度0.4m，为满足建筑体型要求，次梁与主梁间 采光顶结构布置图
布置斜撑，中间道斜撑与主梁的间距为0.5m，第二道次梁斜撑与主梁间距0.4m，第三道次梁斜撑与主梁间距0.3m；采光顶整体是倾斜的，周围立柱最低处高2m，最高处高4m。
主要结构问题解决方案
平面外支撑解决方案
由于建筑要求，主桁架平面外支撑间距为0.5m，0.4m，0.3m，支撑与竖直方向的角度非常小在15度左右，难以提供平面外有效支撑。拟增大主桁架下弦杆长细比，以下弦杆全长为计算长度，控制长细比为350，并适当增加采光顶自重，使下弦杆在风荷载与恒荷载组合下不出现受压，平面外支撑仍然设置。
温度应力解决方案
施加+15℃、-30℃的温度后，温度作用使主桁架伸长，环梁受压，使主桁架和此桁架柱底产生弯矩400~500kN.m.
根据钢结构规范GB20017-2003第8.1.5条，露天结构温度区段不超过120m可不考虑温度应力，但考虑到产生的温度应力较大，拟在柱顶设置橡胶支座，这样大大减小了温度应力。
與底部混凝土圈梁协同分析解决方案
因为采光顶柱搁置在底部预应力混凝土圈梁上，圈梁由预应力伸臂梁支撑，伸臂梁悬挑长度为3~5m，悬挑长度较大，势必造成支座位移，这使上部钢结构产生应力重分布，也威胁到伸臂梁的安全。
通过伸臂梁，下部混凝土圈梁，上部钢结构整体建模的方法，验算底部混凝土圈梁与上部钢结构的协同作用。分析发现由于混凝土伸臂梁分布不均，桁架柱底出现应力重分布，靠近伸臂梁的柱底位移较小，反力增大；远离伸臂梁的柱底位移较大，反力减小，但钢结构整体应力比下降， 整体建模模型
且考虑协同作用后，钢结构温度应力相应减小。
主要计算结果
本工程取恒载1.2kN/m2，活载0.7kN/m2，风荷载0.7 kN/m2，7度抗震，考虑+15℃、-30℃温度荷载，由于采用了自平衡体系和橡胶支座，温度荷载对结构影响不大。主要荷载组合包括：①1.2恒+1.4风；②1.2恒+1.4活+1.4×0.6风；③1.2恒+1.4×0.5活+1.4地震；④1.2恒+1.4活+1.4×0.6温度；⑤1.2恒+1.4温度。
结构最大应力比0.8，最大挠度112mm，挠度与跨度比为1/330，满足规范要求。主桁架柱底只有竖向反力，应力重分布后，竖向反力大小为200 kN~500 kN不等；次桁架底部竖向反力较小，弯矩为200 kN.m~350 kN.m不等。一阶振型为上下震动，周期为0.53s；二阶振型为长轴翘曲，周期为0.47s；三阶振型为短轴剪切，周期为0.44s。
四、结论
本文对宁波某商业中心椭圆形钢结构采光顶进行了方案设计与分析，可以看到，自平衡体系可以有效减小水平推力和柱底反力，有效的解决了柱底伸臂梁，悬臂长度大，受力不利的问题。主桁架高跨比小，造型简洁美观，在跨度不太大时，张弦梁下弦可以采用钢管代替拉索。本方案钢结构用钢量约55kg/m2，考虑到跨度、支座条件、荷载、建筑要求等因素，还是相对比较合理的。
参考文献：
[1] 汪大绥，张福林，高承勇，周健，陈红宇. 上海浦东国际机场（一期工程）航站楼钢结构研究与设计。建筑结构学报，1999，20（2）
[2] 布正伟.结构构思论——现代建筑创作结构运用的思路与技巧. 北京：机械工业出版社.2004.5
[3] 沈世钊.大跨度空间结构的发展——回顾与展望. 土木工程学报. 1998.3（3）
[4] 沈世钊.大跨空间结构理论研究和工程实践. 中国工程科学.2001.3（3）
[关键词]商业中心;采光顶;自平衡体系;支座反力;温度应力[Abstract] This paper introduces commercial center steel structure roof design process, self balancing system and the main structure of the design problem of the processing methods.
[keyword]: Commercial center; roof; self equilibrium system; support force; temperature stress
中图分类号：TB482.2文献标识码：A文章编号：2095-2104
工程概况
该商业中心地处港口城市宁波北仑，建筑体量3万多平米，定位是北仑最大商业体量的休闲、娱乐、购物中心。建筑主要分南北两块，中间一个大型露天中庭，北边屋顶中部设有一个椭圆形采光顶，两个圆形采光顶，四个扇形采光顶。 采光顶建筑效果图
椭圆形采光顶长轴46.15m，短轴37.55m，屋顶最高点高于柱顶1m，屋顶两个方向均有弧度利于排水。建筑要求突出主次梁比例关系，主梁外形为梭形，类似船底，主梁中部最大宽度为1m，主梁后期装修铝塑板外包，主次梁撑杆须包在主梁内，由于商业中心的特殊外观要求，采光顶后期所有结构均外包。
基本设计参数
工程设计基准期为50年，结构使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，场地土类别为Ⅳ类。
结构材质为Q345，玻璃及配件、次梁1.2kN/m2，悬挂荷载0.2 kN/m2，活荷载0.5 kN/m2，基本雪压0.3 kN/m2，基本风压0.7 kN/m2。钢结构整体温差为升温+15℃，降温-30℃.主梁外包后尺寸
椭圆形采光顶钢管桁架方案设计
结构的自平衡体系
结构的自平衡体系是指结构无论在成形态还是受荷态，结构内部都存在一个或多个应力回路，这使得结构中的荷载效应可部分或全部抵消，并在施加预应力的过程中可有效地减少预应力的损失。
结构的自平衡体系有很多种形式，张弦结构是其中的一种由结构自身构成的自平衡体系，近十余年来在大跨度建筑中获得快速应用和发展。张弦结构由刚度较大的刚性构件（通常为梁、拱或桁架）和柔性的弦（通常为高强索、也可采用钢棒、扁钢等）以及连接两者的撑杆组成，通过对柔性构件施加预张力，使体系成为具有整体刚度的结构。
张弦结构本身为一完整的自平衡体系，其一端支座通常为可滑动支座，刚性构件在支座处的水平推力可以通过支座的滑动来与索的拉力平衡。结构对边界约束要求的降低，极大地简化了施工作业。
1997年建成的上海浦东国际机场候机楼是我国首次将张弦梁结构应用于大跨度建筑中，其中最大跨度82.6m，跨中高度11m。另外还有国家体育馆，广州国际会展中心，北京工业大学体育馆等。
结构体系比较
由于建筑要求主梁体量要做的相对大，次梁高度控制在0.6米以内，以形成强烈对比的建筑效果，所以结构只能做成平面体系，另一个方向的次梁只起减小主桁架杆件的平面外计算长度的作用。
主桁架间距6m，次桁架间距6m，主桁架跨中高度取2m，柱底刚接，柱顶铰接。现对最大跨度主桁架的几种结构形式做比较，比较结果如下表：（其中桁架（上）表示柱子支撑于桁架上弦，桁架（下）表示柱子支撑于桁架下弦）
从上表中可以看出，当采用简支梁时，梁截面非常大，自重也很大，这样用材不经济，结构竖向力也会相应增大；当桁架支撑在下弦时，柱底的水平推力很大，大约是竖向力的1.5倍，这样柱底弯矩也非常大，导致支座很难设计；当桁架支撑在上弦时，这时也是一个自平衡体系，但是应力回路不简洁，没有完全抵消结构中的荷载效应；当采用自平衡桁架时，柱底基本没有水平力和弯矩，自重也是最小的。
自平衡体系没有斜向的腹杆，设计中由于造价问题，下弦没有采用预应力索，而是采用了圆钢管，考虑到弦杆与腹杆焊接的可靠性，增加了斜向腹杆。
结构布置
在椭圆短轴方向，布置6榀主桁架，间距6m，主桁架跨中高度2m，逐步向支座减小；长轴方向布置方钢管次梁，次梁高度0.4m，为满足建筑体型要求，次梁与主梁间 采光顶结构布置图
布置斜撑，中间道斜撑与主梁的间距为0.5m，第二道次梁斜撑与主梁间距0.4m，第三道次梁斜撑与主梁间距0.3m；采光顶整体是倾斜的，周围立柱最低处高2m，最高处高4m。
主要结构问题解决方案
平面外支撑解决方案
由于建筑要求，主桁架平面外支撑间距为0.5m，0.4m，0.3m，支撑与竖直方向的角度非常小在15度左右，难以提供平面外有效支撑。拟增大主桁架下弦杆长细比，以下弦杆全长为计算长度，控制长细比为350，并适当增加采光顶自重，使下弦杆在风荷载与恒荷载组合下不出现受压，平面外支撑仍然设置。
温度应力解决方案
施加+15℃、-30℃的温度后，温度作用使主桁架伸长，环梁受压，使主桁架和此桁架柱底产生弯矩400~500kN.m.
根据钢结构规范GB20017-2003第8.1.5条，露天结构温度区段不超过120m可不考虑温度应力，但考虑到产生的温度应力较大，拟在柱顶设置橡胶支座，这样大大减小了温度应力。
與底部混凝土圈梁协同分析解决方案
因为采光顶柱搁置在底部预应力混凝土圈梁上，圈梁由预应力伸臂梁支撑，伸臂梁悬挑长度为3~5m，悬挑长度较大，势必造成支座位移，这使上部钢结构产生应力重分布，也威胁到伸臂梁的安全。
通过伸臂梁，下部混凝土圈梁，上部钢结构整体建模的方法，验算底部混凝土圈梁与上部钢结构的协同作用。分析发现由于混凝土伸臂梁分布不均，桁架柱底出现应力重分布，靠近伸臂梁的柱底位移较小，反力增大；远离伸臂梁的柱底位移较大，反力减小，但钢结构整体应力比下降， 整体建模模型
且考虑协同作用后，钢结构温度应力相应减小。
主要计算结果
本工程取恒载1.2kN/m2，活载0.7kN/m2，风荷载0.7 kN/m2，7度抗震，考虑+15℃、-30℃温度荷载，由于采用了自平衡体系和橡胶支座，温度荷载对结构影响不大。主要荷载组合包括：①1.2恒+1.4风；②1.2恒+1.4活+1.4×0.6风；③1.2恒+1.4×0.5活+1.4地震；④1.2恒+1.4活+1.4×0.6温度；⑤1.2恒+1.4温度。
结构最大应力比0.8，最大挠度112mm，挠度与跨度比为1/330，满足规范要求。主桁架柱底只有竖向反力，应力重分布后，竖向反力大小为200 kN~500 kN不等；次桁架底部竖向反力较小，弯矩为200 kN.m~350 kN.m不等。一阶振型为上下震动，周期为0.53s；二阶振型为长轴翘曲，周期为0.47s；三阶振型为短轴剪切，周期为0.44s。
四、结论
本文对宁波某商业中心椭圆形钢结构采光顶进行了方案设计与分析，可以看到，自平衡体系可以有效减小水平推力和柱底反力，有效的解决了柱底伸臂梁，悬臂长度大，受力不利的问题。主桁架高跨比小，造型简洁美观，在跨度不太大时，张弦梁下弦可以采用钢管代替拉索。本方案钢结构用钢量约55kg/m2，考虑到跨度、支座条件、荷载、建筑要求等因素，还是相对比较合理的。
参考文献：
[1] 汪大绥，张福林，高承勇，周健，陈红宇. 上海浦东国际机场（一期工程）航站楼钢结构研究与设计。建筑结构学报，1999，20（2）
[2] 布正伟.结构构思论——现代建筑创作结构运用的思路与技巧. 北京：机械工业出版社.2004.5
[3] 沈世钊.大跨度空间结构的发展——回顾与展望. 土木工程学报. 1998.3（3）
[4] 沈世钊.大跨空间结构理论研究和工程实践. 中国工程科学.2001.3（3）