雁回门钢结构方案设计报告

2015-10-31欧盛

建材与装饰 2015年17期

关键词：椭球设计规范杆件

欧盛

（广东省　广州市　510000）

雁回门钢结构方案设计报告

欧盛

（广东省广州市510000）

进入21世纪，建筑科学技术有了突飞猛进的发展，随着新型建筑材料的不断出现，混凝土加结构工程加固施工方法也将会有更大的拓展。据此，钢结构施工方案的设计也将具有更广泛的发展空间。本文重点对雁回门工程的设计方案进行了论述。

钢结构；方案设计；混凝土

1　工程概况

雁回门设计灵感源自我国传统的月亮门与雁回，形态上意在表达“雁回待飞”——如金色大雁准备展翅腾飞之意境，又如天际中一道月亮门迎接四方宾客。

雁回门位于新区北角，仿佛张开双臂拥抱未来，迎接世界的关注。无论从各条路以及地面广场均可全方位视角观看到直径30m椭圆球幕，醒目而充满动感。作为一尊现代雕塑，与高架交叉系统曲线交错浑然一体，宛如一条绸带在空中飞舞张扬。

2　本设计依据的规范规程及行业标准

（1）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）；

（2）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）；

（3）《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）；

（4）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；

（5）《建筑抗震设防分类标准》（GB50233-2004）；

（6）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）；

（7）《碳素结构钢》（GB700-2006）；

（8）《低合金高强度结构钢》（GB1591-2008）；

（9）《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）。

3　计算软件

结构设计采用的计算分析软件为SAP2000V14.1.0与Midas en Ver.800。

4　材料

（1）本工程结构钢材材质主要为Q345B。Q345B低合金高强度结构钢应符合《低合金高强度结构钢》（GB1591-2008）现行规范的规定，其应均具有屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、冲击试验，冷弯试验和C、S、P含量的合格保，对于局部应力较大的部位采用Q420B；

（2）本工程用的钢材屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；应有明显的屈服台阶；伸长率应大于20％；应有良好的焊接性和合格的冲击韧性；

（3）钢管混凝土的混凝土强度等级为C40。

5　结构设计说明

5.1结构机理分析

造型新颖，在设计过程中存在以下几个难点：

（1）整体结构高度较高，环的边长从底部的5.2m缩小到中部的4.4m最后增加至顶部的15.2m，这种上大下小的结构对整体受力不利，也将导致结构底部的受力过大；

（2）环的落地点距离太近，对结构的抗倾覆不利；

（3）椭球的所处的高度较高，与环的连接节点较少，椭球的扭转以及侧移可能较大；

（4）由于环的不对称性将加剧椭球的扭转。

综合考虑结结构造型、结构自重、变形等，对各种方案进行比选，最终采用了空间桁架+钢筋混凝土基础的混合结构体系（坐标轴的确定：椭球长轴为X向，短轴为Y向，原点定于地面）。

5.2结构体系布置

雁回门的主要尺寸可详见概念设计图。空间钢桁架+钢筋混凝土基础的混合结构体系可分为环形钢结构（A部分）、椭球钢结构（B部分）、本报告主要针对A、B两部分的钢结构进行分析、设计。

针对结构A，其钢桁架杆件均采用圆钢管，相贯焊接。外围弦杆管径根据内力大小由φ1500×50渐变至φ500×16，在椭球中心面（标高34.32m）以下，采用交叉斜杆，在中心面以上，采用单斜杆（见图1），以降低结构自重和简化节点构造，增强结构的扭转刚度，腹杆的截面规格为φ700×30～φ351×8。

图1　结构A斜杆构造示意图

环形结构与混凝土基座相连的杆件采用φ1500×50、φ700× 30钢管混凝土。

结构B则采用平面桁架结构体系，通过各个撑杆将各榀桁架联系成一个整体，并通过6个点与结构A相连，由于建筑造型问题，椭球左右两边的宽度不一样，这或许会影响到后期的美观或者使用，故建议建筑对其进行适当的修改。

6　计算模型建立

本工程采用的主要计算程序为结构有限元软件为SAP2000v14.1.0。SAP2000为国际上通用的有限元计算分析程序，其计算分析功能强大，9.0以上的版本中加入了中国规范，可采用中国规范对结构进行设计验算[1]。另外本工程还采用Midas Gen Ver.800进行校核对比[2]。

在AUTOCAD2004中建立结构的三维模型，然后导入SAP2000中进行计算。采用的计算单元主要有梁单元和壳单元。在程序中建立了结构的整体模型。

整体模型如图2。

图2　结构整体模型

之后建立虚拟面，施加荷载，现以风荷载为例，通过模型表示其加载情况。风荷载按两种工况施加，即Y轴左向风，Y轴右向风，分别对应工况W1、W2（其中为了安全起见，椭球按其在竖直方向的投影面加载）。

7　结构静力分析主要结果

主要控制节点的位移：

表1列出主要控制节点在正常使用极限状态下的三个方向的位移，主要控制点包括结构最高点441、结构B与结构A相连的6个点。

表1　结构各个控制点在正常使用极限状态的位移（单位：mm）

由上述计算可以看出，SAP2000的计算的结构与Midas的结果非常接近，最高点的侧移与高度的比值为：218.50/57070=1/261<1/250，结构B的最大侧移与标高的比值为：116.86/34322=1/294≈1/300，满足《高层民用建筑钢结构技术规程》与《高层结构设计规范》的要求。

8　结构动力分析主要结果

8.1结构自振周期和阵型质量参与系数

使用特征值向量法计算整体结构的前500阶阶模态，使各个方向的阵型质量参与系数大于0.9，对比了SAP2000与Midas前 10阶的周期，两者的误差在6％左右，这与内力、反力的误差相比，误差较大，这主要是由于Midas与SAP2000在壳单元的定义有区别，也正因为这方面的差异将导致由于地震作用产生的结构响应不同，考虑到SAP2000中的壳单元更符合实际，故本工程的动力分析结果均以SAP2000的计算结果为准。

8.2结构主要模态视图

结构的主要振型见图3～5。