天津某產業園區綜合大樓鋼結構設計

□文/朱黎蓬 杜恩閣

工程概述

天津某產業園區管委會大樓，集辦公、展覽、會議、商業等于一體。該項目主體4層，不含地下室，主體高度17.100 m，除首層層高為4.5 m外，其余各層層高均為4.2 m，采用鋼框架結構體系，總面積24 000 m2，主要柱網8.1 m×8.1 m，局部抽柱形成跨度24.3 m的鋼連廊。首層及二層局部結構平面見圖1和圖2。

圖1 首層局部結構平面

圖2 二層局部結構平面

該工程設計使用年限為25 a，抗震設防烈度7度（0.15g），場地類別為Ⅲ類場地。

結構分析及計算

本工程主要采用SATWE軟件進行分析，STS軟件進行建模及節點的設計，同時采用ETABS軟件進行豎向振型的補充計算。

鋼柱腳嵌固端的選取

工程采用外露式鋼柱腳，基礎為樁基礎＋獨立承臺，承臺上設短柱作為鋼柱的支承，見圖3。

圖3 鋼柱基礎大樣

對于建模時鋼柱腳嵌固端位置的選取，有2種做法：一是選在短柱上皮，也就是圖3中標高-0.560 m位置；另外一種是選在基礎上皮，也即標高-1.150 m位置。對于以上2種作法，以往設計中都有采用。本工程設計時2種方案都進行了建模，模型1采用第1種方法建模，模型2在模型1的基礎上增加一個標準層，把短柱建立進去，模擬短柱對鋼柱的影響，短柱的嵌固端取在承臺上皮。對比2個模型的計算結果可以發現，結構的周期、位移比、位移角以及典型構件內力等并無明顯差別，說明基礎短柱的剛度相對于鋼柱的剛度足夠大。

對本工程而言，2種方案都是可取的。模型1的優點是可以直接利用計算結果對鋼柱腳進行設計，缺點是短柱的配筋要根據鋼柱腳的內力輸出結果進行二次設計；模型2的優點是可以直接得到短柱的配筋結果，缺點是鋼柱的柱腳要根據計算內力進行二次設計。為簡化計算，選用第1種方案。

恒載施工加載方式的模擬

一般混凝土多層結構都是逐層施工，即剛度逐層形成，質量逐層施加，其具體過程見圖4，采用SATWE軟件中的“模擬施工加載3”方式來模擬比較符合結構在施工過程中的實際受力情況。

圖4 “模擬施工加載3”計算

鋼結構多層結構一般是待主體鋼框架安裝完畢后，才逐層進行樓板等的施工并且由于鋼結構自身的質量很輕，絕大部分樓層質量都由樓板以及其上建筑面層與隔墻組成，故可以認為其施工過程為剛度一次形成，而質量逐層施加，其具體過程見圖5，故采用SATWE軟件中的“模擬施工加載1”方式來模擬施工過程中結構的受力更加符合實際情況。這也是類似鋼框架設計計算時一個需要注意的地方。

圖5 “模擬施工加載1”計算

連廊選型及舒適度分析

為突出建筑特色，方案要求局部抽去2根鋼柱，從而形成跨度達24.3 m的鋼連廊，其主要承力構件為人字形斜撐及上下弦桿和豎腹桿組成的跨度為24.3 m的鋼桁架，其立面見圖6。該連廊跨度較大，而鋼結構相對較柔，人在上面行走時容易引起共振，故對舒適度的要求較高。

圖6 連廊結構立面

初始結構選型時，在圖6的中部兩節間同樣布置了人字形狀斜撐，這樣可以大大提高連廊部位的剛度，減小其撓度，增加舒適度。但是經過計算，發現此時結構的位移比超過規范[1]要求的1.5，達到1.84并且在連廊的上下鄰近層產生剛度突變，形成了薄弱層。這是由于加斜撐后此部分結構的剛度增大，而此處鄰近共享空間處質量相對較小，質心與剛心有較大偏移，從而造成結構有較大扭轉效應。經過多次試算，最終選擇了圖6的斜撐布置方式，取消中間一榀人字形斜撐，把左右兩榀人字形斜撐的聯系割斷，弱化其水平剛度，最大程度保證其豎向剛度，最終各項指標均滿足規范要求。

在荷載標準值作用下，該鋼桁架的豎向撓度為20 mm，小于規范[2]要求的桁架跨度的1/400，即 60.750 mm，實際制作時要求該鋼桁架起拱40 mm，以確保觀感要求。

下面分析在人群荷載激勵下連廊是否會產生豎向共振。根據文獻[3]，人群步行激勵的頻率為1.6～2.4 Hz，只要連廊的豎向自振頻率遠離人群步行激勵的頻率，就不會產生共振。

利用ETABS軟件進行結構的自振特性分析，其前20階振型參數見表1。

表1 前20階振型信息及質量參與系數

根據表1的計算結果，前20階振型中，僅第5、16、17、18、19振型為豎向振型。而觀察其振動模態，均為結構周邊懸挑構件的豎向局部振動并未見到連廊部位的豎向振動，說明連廊的豎向振動頻率遠離人群步行激勵的頻率，故不會產生共振。

共享空間處風荷載的正確模擬

對于一般結構，進行風荷載計算的時候，程序把各層的風荷載施加于結構的質心處，這種簡化作法對于各抗側力構件（本文特指鋼框架柱）可以滿足工程設計的精度要求。但是本結構的首層及二層有局部的共享空間，產生了2根越層柱作為建筑外維護玻璃幕墻的水平及豎向承力構架，這2根鋼框架柱依舊按照常規做法，把該層的風荷載施加于結構的樓層質心處，會造成本層所有豎向構件共同抵抗越層柱外圍建筑幕墻傳來風荷載的假象，對越層柱的計算結果不安全。故實際計算時應按照規范[4]手工導算2根越層柱承受的風荷載，然后通過操作SATWE軟件中的“水平風荷載查修/修改”菜單，人為修改程序的導荷結果，實現越層柱風荷載的正常施加，以保證特殊構件計算結果的安全可靠。

凈截面和毛截面比值的正確理解與合理運用

目前鋼結構梁柱及主次梁的連接節點常采用螺栓連接或栓焊混合連接。本工程梁柱節點的連接做法采用的是栓焊混合連接，主次梁連接采用螺栓連接。螺栓連接必然對構件截面造成一定的削弱，合理考慮螺栓孔對構件截面的削弱是鋼結構設計中的一個重要問題。根據規范[2]要求，梁的受彎強度計算和柱的壓彎強度計算需要考慮螺栓孔的削弱作用。

鋼結構節點繁多，很難精確考慮螺栓孔對構件截面的影響，而此影響對結構的安全及工程經濟合理性有比較大影響，當過分考慮螺栓孔的削弱作用時，會使構件用鋼量增大而導致浪費，反之會造成設計結果不安全。為此SATWE軟件提出了參數“鋼結構截面凈毛截面比”來近似考慮螺栓孔的削弱影響，經大量試算，發現該比值大約為0.85左右，當填寫此參數時，軟件的后處理中構件強度設計結果會取計算結果與此結果的乘積，以近似考慮螺栓孔對構件截面的削弱。

結合本工程的設計計算，設計過程中應用此參數時需要注意以下幾點問題。

（1）多次計算。在設計驗算時，程序并不區分構件的連接方式與截面區段，比如梁不區分是剛接還是鉸接，也不區分跨中截面或支座截面；另外也不是所有的構件截面都受到螺栓孔的削弱作用，比如柱貫通型的節點，鋼柱的截面并未受到削弱，故當查看設計結果時，應當把柱的強度輸出結果除以凈毛截面比，才是真實的柱強度計算結果；再比如鉸接次梁，其計算結果的查看同樣要除以凈毛截面比，因為次梁的彎矩比較大的截面（如跨中截面）都未削弱，而其受到削弱的部位（支座截面）只需要進行受剪驗算，而受剪計算采用的是毛截面。

（2）詳細計算。采用鋼結構截面凈毛截面比主要是針對鋼框架梁的支座處，但是鋼框架梁又有很多種類，不可能去一一核算其該參數的取值，當對計算結果有疑問的時候，應當查看STS軟件的“全樓節點連接設計”，該模塊對梁柱節點構件采用真實的螺栓排列及螺栓孔影響計算構件截面的強度，是精確計算。

結構構造做法

精細的計算必不可少，合理的結構構造也十分重要，它使結構的實際受力與結構的計算假定保持一致，保證設計安全合理。

嵌砌砌塊填充墻節點構造

采用砌塊作為建筑墻體材料。由于鋼結構的剛度相對較弱，而砌塊墻的剛度較大，為了合理考慮填充墻剛度對結構的影響，除在地震作用計算時對結構的周期進行折減外，在砌塊墻與鋼柱嵌砌時，兩者之間填充30 mm柔性材料（聚苯板），以削弱砌塊填充墻對鋼框架的不利影響，做法見圖7。

圖7 砌塊墻與鋼框柱連接節點

鋼柱柱腳做法

鋼柱的柱腳由于和土壤等接觸，銹蝕嚴重，使用過程中造成較大安全隱患，對此鋼結構規范[2]對鋼柱柱腳的包裹做法提出嚴格要求并列為規范強制性條文。根據規范意見并參考有關圖集，有2種做法可以滿足要求，見圖8。

圖8 柱腳做法

對比2種做法，做法2對鋼柱腳的保護程度最好，但是由于做法2會給建筑裝修造成較大困難，故采用做法1。但是采用做法1有個前提，即土壤中不能存在侵蝕性介質作用，當存在侵蝕性介質作用時，或者采用做法2，或者對地基進行材料換填，把侵蝕性介質去除，用較好土壤代替。柱腳做法應當引起足夠的重視，它關系到使用過程中結構的安全。

鋼桁架節點做法

鋼桁架是結構的重要部位，其連接節點均采用等強連接，焊縫要求采用全融透焊縫并要求100%探傷，以策安全，做法見圖9。

圖9 鋼桁架連接節點做法

結語

當前，軟件的運用更加靈活，對軟件的原理有深入的認識，再加上工程師豐富的經驗才能作出更加優秀的設計，才能貫徹國家對建筑工程安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量的技術經濟政策。

[1]GB50011-2001，建筑抗震設計規范（2008年版）[S].

[2]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[3]孫利民，閆興非.人行橋人行激勵振動及設計方法[J].同濟大學學報（自然科學版），2004，32（8）：21-24.

[4]GB5009-2001，建筑結構荷載設計規范(2006年版)[S].