針對局部鋼結構對整體結構影響的探討

李淼

關鍵詞：鋼結構;混合結構;空間建模;整體分析

前言：隨著時代的發展，建筑行業技術水平的提高以及業主對建筑形式多樣化和功能多元化需求的增長，越來越多的建筑型式映入眼簾，從單一的混凝土結構，鋼結構以及框架，剪力墻結構體系到混合結構，框剪，框筒體系;為此就需要提高技術分析手段從而確保建筑功能的實現及安全性，可靠性，經濟性。本文以某地一造型特殊小型公共建筑為例進行簡單的分析及探討。

1.設計背景

該建筑為宗教佛塔，具備一般使用功能兼具觀賞性，由于具備宗教背景，建筑造型不同于一般建筑，傳統的建筑形式多為木石結構，且具有文物性質，在相關政策影響下，一般保留較完整，該新建佛塔擬采用現代技術方法建造，底座采用常規鋼筋混凝土結構，由于造型特殊，上部佛塔采用鋼結構，在以往設計的過程中，礙于行業技術發展的滯后性及時間，人力成本的局限性，多采用分離設計方法，對上部鋼結構單獨進行設計分析，再通過將內力作用于下部支座，對基座進行考慮上部作用力的設計分析，在沒有計算機普及及行業分析軟件的支持下，這項工作無疑是復雜且龐大的，并且為了保證建筑功能的實現及安全性，計算精度有限，并留有較大的安全儲備，代價就是犧牲經濟性。而在目前行業科技水平的加持下，通過采用計算機及相關軟件一定程度上精簡設計流程并大大降低人為工作量，不僅提高設計效率并且能夠達到一定的經濟型，即便如此，不同的設計思路和設計方法對設計結果也是有所不同。

2.設計思路及分析

本建筑地處抗震設防烈度8度區，地震加速度0.2g，第三組，特征周期為0.45s，建筑場地為Ⅱ類場地，地面粗糙類別B類，基本風壓0.4KN/平米，雖然為公共建筑，規模較小，建筑抗震設防類別為丙類，設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，結構體系為框架剪力墻，根據地勘報告，雖然地處高烈度區，地質條件良好，無特殊地質環境，屬于抗震一般地段，本文對基礎相關設計不做說明，僅對地上部分做簡要分析。

從建筑平立剖面看，建筑基座地上三層，地下一層，地上建筑高度19.300米，地上具備一定空間使用功能，兩級屋面分別有16座小型佛塔（高度24米），8座中型佛塔（高度38米）及中央一座大型佛塔（高度61米）構成，佛塔基座按常規混凝土結構建模分析計算，上部佛塔采用鋼結構設計，因為佛塔體型及高度均較大，且沒有明顯的分層概念，單獨對其進行受力分析沒有問題，但其因承受水平地震荷載及風荷載的作用以及自身的質量對下部整體結構的計算是不可忽略的，且由于風振引起對主體的作用也有必要進行細致分析，否則可能會引起其他相關問題（鑒于篇幅有限，本文不做深入探討），所以針對這類不規則情況，需要引入空間模型對結構整體進行內力分析作為主要設計手段，單獨內力分析作為補充分析手段。

空間建模分析的優勢就是能夠針對沒有具體層概念的結構按照實際的空間位置及真實的受力形態進行整個結構完整的受力分析，并得到比較準確的整體計算參數和指標，幫助設計人員更好的分析和應對結構不規則的影響。對該建筑做兩組建模進行對比：第一組按空間建模方式完整建立混凝土基座及上部鋼結構模型，按混合結構進行整體分析，連接處采用設計約束方式保證混凝土結構和鋼結構協同受力變形;第二組僅進行下部混凝土結構模型的建立和分析，上部鋼結構按質量施加給模型相應位置，并根據第一組模型計算分析得到的鋼結構部分底部的內力按反力形式施加給混凝土結構，對兩組模型的計算結果進行對比分析。

（1）周期

周期作為結構的固有屬性，反應了結構自身包括質量及剛度特性，在同一地質條件下直接決定所承受的地震力的大小，通過計算結果可以明顯看到在不考慮鋼結構塔樓的條件下結構的前十個陣型主要以平動陣型為主，前三個陣型均為平動陣型，第四陣型為扭轉陣型，結構為正多邊形均勻分布，柱網布置規則，抗扭剛度良好，第一周期僅為0.53s，略大于特征周期，位于地震加速度曲線速度控制段;考慮上部鋼結構塔樓進行空間整體計算的結果中，前十陣型均為平動陣型，在陣型動畫中觀察主要為鋼結構塔樓在水平力作用下沿X和Y方向的振動，佛塔自身在高度方向的尺寸遠大于平面內的截面尺寸，成為以下部混凝土結構作為嵌固端的懸臂構件，并且本身為鋼結構，剛度遠小于同等尺寸鋼筋混凝土結構，反映到周期中，在考慮空間結構的整體計算下第一陣型周期為1.1S，使整個結構空間計算的結果都偏“柔”，直觀上符合實際結構在水平作用力下的振動形態。

（2）地震力：周期不同最直接的影響就是結構所承擔的地震剪力有所區別，在建筑重力荷載代表值一定的條件下，周期決定了計算結構地震影響系數，進而決定地震剪力的大小;未考慮鋼結構剛度條件下結構的地震力為X：4910KN，Y：5346KN，地震剪力為X：14695KN，Y：15166KN;考慮鋼結構剛度的空間結構的地震力為X：4513KN，Y：4649KN，地震剪力為X：13443KN，Y：13864KN，地震力X方向相差9%，Y方向相差15%，地震剪力相差10%左右。隨著體系變“柔”，地震外力也相應減少。

（3）風外力

鋼結構對風荷載格外敏感，因此鋼結構塔樓的風荷載分析不可避免，由于風荷載方向的不確定性及隨機性，在空間模型中能夠對各方向風荷載進行考慮和加載，很大程度上節省計算時間，提高設計效率;因為空間結構沒有層概念，很難利用常規模型在樓層質點施加風荷載的方法對塔樓進行受力分析，需要采用蒙皮導荷的方法來對其進行風荷載作用下鋼結構構件承載力及相關驗算，并且因為不同方向來風作用于塔樓在底部支座產生的內力不同，利用空間整體計算可以簡單方便的進行下部混凝土結構的包絡設計，因此針對風荷載對結構的分析應以空間整體計算為主，對鋼結構個體的分析驗算為輔。

3.結論

綜上所述，鋼結構對整體結構的影響在設計上是不能忽略也不應該忽略的，在現行技術條件下是比較簡單易行的：通過簡單的數據對比，考慮局部鋼結構的空間結構整體計算相對于傳統分離式的結構分析具有比較明顯的優勢，在目前行業高水平發展和充分利用合理的技術手段及正確的設計理念條件下，基本能夠做到比較符合真實情況的結構分析，通過合理的概念設計，利用整體結構計算結果，輔以獨立的驗算，并進行包絡設計能夠很好的在保證結構安全合理的前提下充分提高設計效率，達到經濟節約的目的。