大型鋼結(jié)構(gòu)采光頂設(shè)計(jì)

張健，唐亞林

（1.東方農(nóng)道建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006；2.長(zhǎng)沙市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)在商業(yè)綜合體的采光天頂中運(yùn)用得十分廣泛，目前有諸多研究者對(duì)此類(lèi)采光頂?shù)脑O(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。李聰?shù)萚1]介紹了某商業(yè)廣場(chǎng)裙樓采光頂，其研究重點(diǎn)為柱腳的雙向滑動(dòng)球形支座，結(jié)果表明球形支座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理。吳社[2]在設(shè)計(jì)采光頂時(shí)采用了倒三角形截面的方鋼管桁架，其分析表明倒三角形截面的方鋼管桁架自身剛度大，平面剛度小，需通過(guò)加支撐來(lái)解決。綜上可知目前的研究者多對(duì)采光頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)安全性方面進(jìn)行了研究，而對(duì)于結(jié)構(gòu)整體美觀性關(guān)注較少。本文同時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)安全性與室內(nèi)觀感，通過(guò)結(jié)構(gòu)布置方案比選和截面優(yōu)選尋求一種既安全可靠又美觀簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)方案。

1 項(xiàng)目概況

某6 層商業(yè)綜合體項(xiàng)目主體采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)天井的玻璃采光頂采用鋼框架結(jié)構(gòu)，綜合體整體模型見(jiàn)圖1 所示。采光頂整體呈類(lèi)橢圓形，長(zhǎng)向跨度（直徑）為42m，短向跨度（直徑）為24m，綜合體砼屋面的標(biāo)高為26.1m，玻璃采光頂屋面的標(biāo)高為29.1m。本文主要介紹此類(lèi)大型鋼結(jié)構(gòu)采光頂設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖1 綜合體整體模型截圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年，設(shè)計(jì)使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，建筑防火分類(lèi)為一類(lèi)，耐火等級(jí)為一級(jí)。

2.2 抗震設(shè)防有關(guān)參數(shù)

本工程抗震設(shè)防烈度為6 度[3]，設(shè)計(jì)基本地震加速值為0.05g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04。場(chǎng)地類(lèi)別：Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組：第一組，特征周期值：0.35s。結(jié)構(gòu)阻尼比：0.04。抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，按6 度進(jìn)行抗震計(jì)算，按7 度要求采取抗震措施。

2.3 荷載取值

屋面荷載：1.0kN/m2，屋面荷載：0.7kN/m2，100 年重現(xiàn)期風(fēng)壓：0.45kN/m2，地面粗糙度B 類(lèi)，100 年重現(xiàn)期雪壓：0.55kN/m2，吊掛荷載：5kN/處，共8 處。溫度作用：±25℃[4]，地震作用：詳?shù)?.2 節(jié)。

2.4 荷載組合

采光頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載組合如表 1 所示。荷載組合考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)構(gòu)成情況，并滿足《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[5]和《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》[6]的相關(guān)規(guī)定。其中風(fēng)荷載、活荷載、溫度作用及地震作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載，因此以上四種荷載均作為第一可變荷載進(jìn)行了組合。考慮到采光頂頂部風(fēng)荷載的方向，荷載組合分為恒載有利、不利兩種情況。

表1 采光頂結(jié)構(gòu)荷載組合

3 結(jié)構(gòu)布置

本采光頂工程采用鋼框架結(jié)構(gòu)，為達(dá)到最佳室內(nèi)效果，需盡量減小梁截面高度。本設(shè)計(jì)采用減小柱距和沿短向布置主跨的方式來(lái)減小主梁的受荷面積及跨度，以期望最大限度地減小主梁截面。結(jié)合玻璃幕墻的合理分割尺寸（2m2以內(nèi)，約1.4m邊長(zhǎng)），經(jīng)過(guò)多次試算，結(jié)合整體效果本設(shè)計(jì)最終將柱距定為2.8m，不同柱距下主梁截面見(jiàn)表2 所示，梁截面高度隨柱距變化見(jiàn)圖2，從圖2 中可知柱距在2.8～5.6m 區(qū)間內(nèi)，隨著柱距的增大，鋼梁的截面高度呈線性增加，而柱距在1.4～5.6m 區(qū)間內(nèi)，在1.4～2.8m 段出現(xiàn)非線性異常，其原因是柱距過(guò)小時(shí)鋼梁的截面高度由撓度控制而非強(qiáng)度控制。采光頂結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖3，采光頂結(jié)構(gòu)模型示意圖見(jiàn)圖4。

表2 不同柱距下主梁截面尺寸表

圖2 梁截面高度隨柱距變化圖

圖3 采光頂結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 采光頂結(jié)構(gòu)模型示意圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 梁柱截面選型

本設(shè)計(jì)為鋼框架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)主軸方向均需要提供有效的抗側(cè)移剛度，因此本設(shè)計(jì)采用矩形截面柱，主跨方向?qū)?yīng)的截面為長(zhǎng)邊，另一方向?qū)?yīng)截面的短邊。

為盡可能地減小梁截面高度，提升室內(nèi)效果，主次梁也采用矩形截面；為方便施工找形，連接鋼柱的周圈弧形邊梁采用圓形鋼管。本工程主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格如表3 所示。為方便加工與安裝，本設(shè)計(jì)屋面排水找坡采用幕墻找坡形式。

表3 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格表

4.2 結(jié)構(gòu)分析

4.2.1 動(dòng)力分析

由于本設(shè)計(jì)垂直主跨方向的剛度明顯弱于主跨方向剛度，因此第一振型將沿著垂直主跨方向振動(dòng)，通過(guò)檢查動(dòng)力分析結(jié)果是否滿足此條規(guī)律，可簡(jiǎn)單判斷模型是否正確。動(dòng)力分析結(jié)果：第一振型沿垂直主跨方向振動(dòng)，對(duì)應(yīng)自振周期為0.4s，主振型圖見(jiàn)圖5，第二振型沿主跨方向振動(dòng)，對(duì)應(yīng)自振周期為0.35s，第三振型維扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)應(yīng)自振周期為0.3s。

圖5 主振型圖

4.2.2 靜力分析

本設(shè)計(jì)的應(yīng)力比圖見(jiàn)圖6，最大應(yīng)力比出現(xiàn)在最大主跨的主梁上，最大應(yīng)力比為0.92；豎向位移云圖見(jiàn)圖7，最大豎向撓度出現(xiàn)在大跨主跨的跨中，設(shè)計(jì)時(shí)需控制此撓度不能太大，以免影響正常使用，本設(shè)計(jì)取跨度的1/400 為撓度的控制值[7]。

圖6 強(qiáng)度應(yīng)力比圖

圖7 豎向位移云圖

4.3 柱腳設(shè)計(jì)

由于采光頂鋼柱的柱腳是從砼屋面邊梁上生根，本設(shè)計(jì)采用鉸接柱腳，盡可能地減小鋼柱傳遞給邊梁的彎矩，防止柱腳對(duì)邊梁的不利影響，同時(shí)也方便施工。柱腳采用在砼邊梁中設(shè)置預(yù)埋件的形式，鋼柱再與埋件的錨板焊接。由于采光頂跨度大，各柱腳均無(wú)向上的拉力，只有向下的壓力和剪力，因此埋件計(jì)算時(shí)偏安全地將壓力取為零，僅需將最大剪力設(shè)計(jì)值從計(jì)算結(jié)果中提取出來(lái)后進(jìn)行抗剪計(jì)算即可。圖8 是本項(xiàng)目柱腳的典型大樣圖。

圖8 鋼柱柱腳典型大樣圖

4.4 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

箱型截面梁柱及主次梁連接采用現(xiàn)場(chǎng)焊接的形式，避免了外露螺栓，簡(jiǎn)潔美觀。主要連接大樣見(jiàn)圖9。

圖9 典型節(jié)點(diǎn)大樣圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)結(jié)構(gòu)布置方案比選發(fā)現(xiàn)除小柱距（1.4～2.8m）外，鋼梁的截面高度隨著柱距的增大呈線性增加，而在小柱距范圍內(nèi)出現(xiàn)非線性異常，其原因是柱距過(guò)小時(shí)鋼梁的截面高度由撓度控制而非強(qiáng)度控制。參照此結(jié)論，本文選取了合理的梁柱截面，提供了一個(gè)既安全可靠又美觀簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)方案。