武夷山游客中心A區鋼結構設計

張志新

(福建利安建筑設計顧問有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

本工程位于武夷山風景名勝區南入口，地上二層、地下一層，最高點24m，總建筑面積約36000m2，本建筑依山就勢，與周圍群山緊密相連，相得益彰。建成之后將成為武夷山市新地標，建筑方案詳(圖1)。

圖1 建筑方案

2 結構體系及特點

2.1 鋼結構體系

A區為細長的矩形平面，長細比為4.22，屋面標高變化大，從左到右共有四個坡屋頂見(圖2)，其中最高點為24m(大跨部分屋脊)，最低點為4.8m(最左邊斜坡)。且中部有35m跨度的開敞的檢票大廳，這樣導致大跨左右兩部分剛度不協調、樓板不連續的問題。結合建筑平面的分隔和結構抗側剛度的需求，在不影響建筑功能的位置設置多道柱間支撐，形成鋼框架－支撐的結構體系，平衡大跨左右兩邊的剛度。同時利用在檢票大廳的南側二層設置連廊和北側的雨棚，以增加結構的整體性。

圖2 A區剖面圖

如(圖3)，檢票大廳上空為空間圓管桁架結構，由主桁架和次桁架搭接而成，構成與建筑外墻角度一致的內斜的兩片三角形主受力墻，平面次桁架內增加交叉支撐，以增強屋蓋體系的整體剛度。檢票大廳內連廊一端與桁架交接，一端利用拉桿連接于桁架上。

2.2 結構特點及設計難度

(1)結構不規則，扭轉效應大。A區鋼結構為細長平面，左部分和右部分為鋼支撐體系，中間部分為大跨度體系，且缺少樓板支撐，導致側向剛度分布不均。中間部分豎向及側向位移都比左右部分大，整體模型的扭轉效應也比較明顯，合理選擇大跨度部分桿件的截面類型以及扭轉應力的分析成為本工程的關鍵。

圖3 大跨桁架軸測圖

(2)屋蓋體系自重重，幕墻鋼結構造型復雜。屋面及兩側邊采用GRC板，且造型比較復雜，特別是大跨度部分，布置了多層龍骨，外表皮至內表皮厚度最大處達到了5m，增加了大跨度部分的豎向位移。

(3)節點類型多，關鍵節點設計復雜。由于整體結構的復雜性，武夷山游客中心A區鋼結構的節點類型多達十幾種，其中的主要節點類型包括:管桁架部分與鋼框架部分的連接節點、主桁架交匯節點、主桁架柱腳節點、連廊拉桿節點、主桁架焊接球柱腳節點。對于一些關鍵節點，由于匯交桿件較多，構件之間的空間關系復雜，節點受力較大，導致節點設計難度很大。

3 結構分析及設計

3.1 分析模型

圖4 計算模型簡圖

工程分析模型如(圖4)所示。框架部分均采用剛接節點，主桁架落地節點采用鉸接節點(銷軸連接)。

3.2 荷載作用與設計準則

3.2.1 荷載作用

荷載作用主要包括恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用和溫度作用。其中自重由程序自動計算，GRC樓蓋的恒載取值為2.0kN/cosα，α為屋蓋平面與水平面的夾角。

溫度荷載考慮整體升溫25℃以及整體降溫－20℃ 。

3.2.2 設計準則

綜合考慮結構的安全與經濟性，確定構件應力比的控制原則為:框架部分主要構件的應力比不大于0.85，大跨度桁架部分主要桿件的應力比不大于0.7.其余次要構件的應力比不大于0.9。

3.3 結構靜動力性能

計算最大位移值及應力比詳見(圖5、圖6)。

圖5 大跨部分最大組合荷載下位移圖(mm)

圖6 大跨部分設計應力比

主要工況位移值，見(表1)。

表1 各工況位移值

計算結果可知:(1)位移最大處發生在大跨度結構部分，各個荷載組合下，最大合位移為52mm，撓跨比52/3500=1/674＜1/400，滿足規范要求見(圖5);(2)風荷載作用下結構位移都比較小，說明風載對結構作用不敏感;(3)相比于大跨度部分，框架部分位移都比較小，說明大跨度部分為部結構側向剛度最薄弱處，應該適當采取措施加強;(4)由于本結構長細比較大，溫度對整體結構的影響也比較大。

結構設計內力比結果見圖6，框架部分的應力比都小于0.85;對于管桁架部分，考慮到存在的扭轉應力以及施工誤差，控制主鋼管的應力比不超過0.7。

4 結構穩定性分析

采用SAP2000建立結構的整體穩定性分析模型，通過線性屈曲分析，可以獲得結構的屈曲荷載及相應的失穩模式，從而了解結構的薄弱區域。另外，根據屈曲模態對結構施加一致初始缺陷，是結構非線性穩定分析的基礎。圖給出了結構在“1.0DL+0.5LL”組合工況下的前三階屈曲模態，對應的屈曲系數見(表2)。

表2 屈曲系數

可以看出，結構的前三階屈曲均發生在大跨度桁架結構。由結構的靜力分析可知，大跨度部分是整個結構變形最大的地方，并且缺少樓板的側向約束作用，從而導致此處成為最容易屈曲的位置。

圖7 第一階屈曲模態

圖8 第二階屈曲模態

圖9 第三階屈曲模態

5 節點設計

本工程節點類型很多，本文將對其中一個較為復雜的鋼結構節點進行分析探討。主桁架右側鋼管由于建筑使用功能的限制，只能落到二層的圓柱上，三根主管(Φ351×12)交匯于焊接球(Φ600×20)上，用十字連接板連接于圓柱上。采用hypermesh進行有限元建模，并用殼單元來進行網格劃分，有限元模型如(圖10)。采用通用有限元軟件ABAQUS進行有限元計算，選取最不利工況進行分析，計算結果如圖11。對于模型來說，鋼管與鋼球連接處，鋼球與十字板連接處產生應力集中現象，最大的 Mises應力為168MPa，小于 Q345B鋼材的屈服強度295MPa(按鋼材厚度20mm所對應的強度)，滿足規范要求。

圖11 節點Mises應力云圖

圖10 節點有限元模型

6 結語

武夷山游客中心A區鋼結構整體結構比較復雜，跨度大，剛度分布不均勻，節點種類較多。為此，在設計之前，合理的選擇了結構受力體系以及布置抗側力構件。針對結構體系的復雜性，設計中分別對其進行了主體鋼結構的靜動力分析、溫度作用分析、整體穩定性分析。節點設計中，務求桿件傳力清晰直接，精簡交匯的桿件數量，并對關鍵的節點進行有元分析。

[1]GB 50017－2003，鋼結構設計規范[S].

[2]JGJ7－2010，空間網格結構技術規程[S].

[3]陳彬磊，郭宇飛，柯長華，等.深圳灣體育中心鋼結構屋蓋設計及研究[J].建筑結構，2011，41(9):1－10.

[4]石亦平周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業出版社，2006.