內蒙古工業大學科技實驗樓重型鋼桁架設計

文｜內蒙古工大建筑設計有限責任公司 朱喜榮

一、工程簡介

內蒙古工業大學科技實驗樓，是一幢集科研、教學以及辦公于一體的綜合建筑。科技實驗樓效果圖（如圖1）所示。該建筑由一個六層和兩個十層的單體及其連廊組成，平面呈U 型布置（如圖2），在九至十層U 型口處的兩個單體間設置鋼結構連廊，形成高空連體結構（如圖1），用于兩樓的連通及辦公。由于荷載較大，該連體結構由兩榀跨度為36 米重型鋼桁架支撐，兩榀桁架間距為11.7 米，鋼桁架支撐于兩側主體牛腿上。鋼桁架高度為4.3 米，同九層層高，十層采用輕鋼結構支承在九層的鋼桁架上。該鋼桁架采用人字式，桿件截面形式為焊接H 型鋼，節點形式為焊接，鋼材強度等級為Q345B。

二、設計思路

按照建筑要求，鋼結構要外露，外立面要看到槽鋼的效果。由于這種建筑方案在本地區民用建筑尚屬首次，為此我們進行了兩個結構方案比較。具體如下：

設計方案一：建筑面層做法為鋪地磚，因此九、十層樓面采用鋼筋混凝土樓面，由于距地高度較大（第九層距地30 米），同時為了使梁板連接的構造簡單，在混凝土樓板下加設鋼板，鋼板與鋼梁焊接。為了加強混凝土樓板與鋼板的整體性，在鋼板上焊接短筋。桁架節點采用常規的節點板連接方式，為了滿足建筑的外立面效果，需要另加焊槽鋼（如圖3）。

上、下弦桿及端斜桿截面為焊接H400×400×30×30，其余腹桿截面為標準H400×400×15×21。

此方案的優點是從建筑使用上比較好，因為有混凝土樓板，地面可以采用常規的地磚做法，樓板的整體剛度較好，使用過程中的振動噪音較小，不需要設置隔音層。同時樓板良好的整體性也能夠滿足鋼桁架平面外支撐的作用；但自重很大，用鋼量較大，造價較高，施工比較復雜，節點處需要有很大的節點板，影響感觀效果。

設計方案二：因為本工程為教學樓，人員比較密集，鋼桁架承受上、中、下三層梁板傳來的荷載，因此，這種大跨重載結構安全可靠、經濟合理的重要途徑是盡可能減輕結構自重，基于這樣的認識，提出設計方案二。建筑面層采用塑膠地板或其他輕質地面，樓板采用鋼板，用豎肋加強，所有內隔墻均采用鋼龍骨掛石膏板做法。這樣可以大大減輕結構自重，豎向地震作用相應減小，對整體結構的抗震也較有利。同時為了更加體現建筑外立面的美觀，將H 型鋼的槽口向外，典型節點詳圖如圖4。本工程設計最終采用了方案二。

圖1 科技實驗樓效果圖

圖2 九至十層平面圖

根據新的荷載工況進行計算，上、下弦桿及端斜桿截面為H400×400×16×22，其余腹桿截面為H300×300×10×15，為了減小自重，主鋼梁（GL-1 和GL-1a）采用蜂窩梁700x300x12x14，腹板上開邊長為200mm 正六邊形洞口，洞口凈距離為200mm。考慮到工程實際和節點構造簡單，主鋼梁與桁架的連接采用摩擦型高強度螺栓連接（如圖5）。為了保證桁架平面外的穩定，布置適當的水平支撐和垂直支撐（樓面結構布置如圖6）。

由于本桁架跨度較大，而且按照建筑要求結構要外露，呼和浩特市屬于北溫帶比較寒冷的地區，減小溫度應力是本設計的關鍵之一，結合《全國民用建筑工程設計技術措施-結構》，桁架和主鋼梁選用Q345B 鋼，在兩端支座設計上也充分考慮溫度變形的因素，將一側支座設計為橡膠支座（見圖7），另一側設計為滾軸支座（見圖8）。桁架支座底板錨拴孔為長圓孔。

由于取消了混凝土樓板，樓層隔音問題凸現，建筑上在樓層鋼板下增設了巖綿隔音層。

圖3

圖5

圖6

三、結論

經過方案比較，最終的結構設計完全滿足建筑使用要求，使結構設計和建筑立面設計達到和諧統一。由于大幅度減輕荷載，使鋼桁架的用鋼量比設計方案一減少了25%左右。同時省掉了混凝土及其濕作業，方便了施工，縮短了工期，總體造價降低。此外，由于跨越部分自重減小，對其自身和整體抗震也十分有利。