巨型裝飾飄架結構的研究與分析

趙格 黃戴春 馬龍 陳恩明 梁博

摘要：巨型飄架最顯著的優點是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范圍內，可以按需要設置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。本文根據工程實例介紹了巨型裝飾飄架結構及其特點，論述了巨型裝飾飄架結構的設計方法和抗震方面的性能分析，并結合實際工程創造性的提出柱腳“半剛半鉸”的設計方式，不僅滿足工程要求，而且經濟便于實施。

關鍵詞：巨型裝飾飄架結構；造型設計；抗震性能；柱腳設計

一、 前言：

巨型結構是由大型構件（巨型梁、巨型柱和巨型支撐）組成的主結構與常規結構構件組成的次結構共同工作的一種結構體系。從平面整體上看巨型結構的材料使用正好滿足了盡量開展的原則，可以充分發揮材料性能；從結構角度看巨型結構是一種超常規的具有巨大抗側剛度及整體工作性能的大型結構，是一種非常合理的超高層結構形式；從建筑角度看巨型結構可以滿足許多具有特殊形態和使用功能的建筑平立面要求，使建筑師們的許多天才想象得以實施。

屋頂飄架一般以鋼結構框架形式展現，在遮陽上是有節能的效果，但更多的是用來裝飾造型用的，造價比較高。現代建筑在符合結構力學的基礎上，采用幾何外型設計達到建筑美感要求，巨型裝飾飄架這一結構形式應運而生，開始流行于商業、住宅等建筑中。巨型框架最顯著的優點是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范圍內，可以按需要設置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。

二、工程概況及特點

我公司借鑒以前鋼框架的設計經驗，對日月廣場鋼結構屋頂飄架項目進行開發，有助于我公司對巨型飄架設計積累經驗，優化設計方案，增強設計實力，進而提升在海南省鋼結構領域中的競爭力，對于市場開發有著重要的的意義。

本工程的鋼柱均為φ350x12圓管型材，鋼梁為HM600x300、HM600x350熱軋H型鋼，次梁為HN400x200熱軋H型鋼，材質均為Q235B。本工程設計有以下特點：

1.造型多樣：本工程共包含12個流線型單體，每個單體造型各異，互不相同，造型優美。

2.抗震設計復雜：每個單體外形的多樣性，使得抗震設計變得復雜。在彎曲的梁處抵抗地震力的受力分析不易計算。

3.結構整體穩定性：由于工程下部為鋼筋混凝土結構，上部增加鋼結構飄架，鋼筋混凝土與鋼材兩種材料的側向剛度、阻尼比、彈性模量等都不相同，如何使兩種材料緊密結合，從而使結構整體穩定性滿足要求，顯得尤為重要。

4.梁柱連接節點設計多樣：由于結構外型的嚴格要求，梁柱連接節點設計變得更加多樣化和復雜化，并且要考慮施工的可操作性。

三、設計過程

本項目以設計院圖紙要求和國家相關規范為研究設計依據。主要研究內容有：多樣化造型設計，周期位移設計，抗震設計難點，柱底連接方式設計等。

1）多樣化造型設計

本項目根據建筑使用功能要求，將單體外圍設計為圓弧形狀，在拐角圓弧處盡量考慮施工的可行性。將外形圓弧設計為懸挑梁，內圓弧直接與柱相連，作為主梁。單體內部設圓弧梁，與外邊緣圓弧呼應，造型美觀。結構的主次之分明確，主結構和次結構均可靈活布置。

2）周期位移設計

本工程在使用PKPM軟件建模時，考慮到巨型飄架一般為裝飾性構件，具有“大開洞，無樓板”的特點，選擇“全樓設膜”這一周期位移設計假定。該假定是采用平面應力膜單元真實計算樓板的平面內剛度，同時忽略樓板的平面外剛度，即假定樓板平面外剛度為0。

3）抗震設計

由于巨型鋼結構的大型復雜性，使其受力性能和破壞機理、制作和安裝等都相應增加了難度。由于本工程嚴格的外型要求，使得結構不規則。抗震設計中，合理布置鋼梁位置就尤為重要，盡量滿足兩個主軸方向等效慣性矩最大原則，避免單懸挑，提高結構的有效質量系數，使更多的構件參與到抵抗地震力作用中。

4）柱腳設計

利用計算軟件PKPM進行鋼柱柱腳設計時，由于原鋼筋混凝土結構的限制與結構穩定性的要求相沖突，無法完全使用剛接節點設計，考慮到巨型飄架的裝飾作用和造價的經濟合理性要求，創造性采用“半剛半鉸”的柱腳節點設計。盡量讓柱腳剛性一些，同時控制長細比滿足要求，增加自身穩定性。

四、技術創新點

通過本項目研發的設計方法符合技術標準、規范要求，主要技術指標、方案的可實施性等均以達到客戶的要求，得到客戶的充分認可。

本項目的技術創新性與先進性主要體現在以下幾方面：

造型設計

以建筑使用功能為背景，滿足使用要求，豐富建筑立面，進行創造性設計巨型飄架產品外型，使設計方案具有獨特性，在建筑造型設計上積累了寶貴的經驗。

柱腳設計因工程實際條件限制，柱腳創造性的設計為“半剛半鉸”的結構形式。這種設計符合工程實際且簡單易行，造價也非常經濟。

五、結論

巨型裝飾性飄架是一種新型的結構體系，由于其整體剛度大、主次結構傳力明確、有利于抗震、施工靈活、造型獨特等特點，在工程中應用越來越廣泛。但是在分析方法、結構設計及施工安裝，特別是結構抗震的研究方面存在著諸多問題，并未給出具體的抗震設計方法。在本文中，考慮巨型飄架具有“大開洞，無樓板”的特點，選擇“全樓設膜”這一周期位移設計假定，符合實際結構特點；合理布置鋼梁位置，避免單懸挑，提高結構的有效質量系數，使所有構件都能參與到抵抗地震力的作用中；鋼柱“半剛半鉸”的結構形式。文中所列的分析方法可以很好地解決實際工程的問題，為推動巨型飄架設計起到很大的作用。

參考文獻：

[ 1 ] 陳富生， 邱國華， 范重.高層建鋼結構設計[ M] .中國建筑工業出版社，2000 .

[ 2 ] 李君， 張耀春.超高層結構的新體系—巨型結構[ J] .哈爾濱建筑大學學報，1997 ， 30（6）：21 -27 .

[ 3 ] 惠卓， 等.巨型建筑結構體系的研究與展望[ J] .東南大學學報（自然科學版），2000 ， 30（4）：1-8 .

[ 4 ] 張文元.巨型鋼結構非線性有限元分析的塑性鉸法[ D] .哈爾濱：哈爾濱工業大學，1999 .

[ 5 ] 蔡益燕編譯.巨型鋼框架彈塑性分析的等效模型[ J] .建筑結構， 1993 ， 23（1）：49 -52 .

[ 6 ] 鞠笑輝.巨型鋼框架結構等效模型建立方法及結構分析[ D] .哈爾濱：哈爾濱建筑大學， 1996 .

[ 7 ] 劉開國.巨型鋼框架結構的二階分析[ J] .建筑結構， 2001， 31（6）：7 -9.

[ 8 ] 李君， 張耀春.超級元在巨型鋼框架結構分析中的應用[ J] .哈爾濱建筑大學學報， 1999 ， 32（1）：38 -42 .

[ 9 ] 袁振軍.巨型桁架筒體結構性能有限元分析[ D] .哈爾濱：哈爾濱建筑大學， 1999 .

[10] 周曉峰， 董石林.巨型鋼框架結構自振特性分析[ J] .建筑結構， 2001 ， 31（6）：3 -6 .

[ 11] 沈祖炎， 等.大型復雜結構的關鍵科學問題及設計理論研究[ R] .上海：同濟大學， 2001 ， 3 -4.

[ 12] 張耀春， 陳麟.巨型柱傾斜的巨型鋼框架抗震性能分析[ R] .上海：同濟大學， 2001 ， 21-26 .

[ 13] 李君.巨型鋼框架結構非線性靜、動力分析[ D] .哈爾濱：哈爾濱建筑大學， 1999 .

[ 14] 陳榮毅.高層鋼結構巨型結構體系的地震反應損傷累積研究[ D] .上海：同濟大學， 2000 .

[ 15] GB50011 -2001， 建筑抗震設計規范[ S] .