圆形斜柱大跨度中庭空间钢结构设计探讨

索楠 毕莹

【摘要】本文以某工程项目为主要案例，系统总结并探讨了圆形斜柱大跨度中庭空间钢结构设计内容，结合建筑物的造型与受力特点，构建空间钢结构体系，并通过空间整体计算模型的创建，借助SAP2000计算并分析不同工况下静力与动力性能，以期为类似工程项目设计提供必要参考。

【关键词】圆形斜柱大跨度;中庭空间;钢结构;设计

1.工程项目概况研究

此建设项目为大型城市建筑综合体，地下3层，地下6层，建筑总面积为200000m2，属于城市核心区域的重要建筑物。在此核心区域设置了通高中庭，于5层屋面位置设计了屋顶结构。其中，屋盖的造型为倾斜圆面，且最高部位的标高是40m，而最低部位的标高是36m，圆面的直径是31m，其水平投影是微椭圆，长轴是31.4m，短轴是31.2m[1]。

对于中庭空间结构，在设计方面，技术难点集中体现在以下几个方面：

（1）位置相对较高，柱脚是30m;

（2）圆面呈倾斜状，空间尺寸与定位难度较大且受力相对复杂;

（3）柱子向外侧倾斜，受力效果不理想;

（4）屋面吊点的荷载较大，要考虑最不利的组合效应;

（5）五层屋面钢梁需支撑整个空间结构，因而要对两部分结构影响程度以及协同性作出深入分析。

2.圆形斜柱大跨度中庭空间钢结构选型研究

将建筑师意图切实体现出来的同时，为确保结构受力路径更加合理且明确，在此工程项目建设中，通过对主桁架、次桁架、斜柱与环桁架的运用，构建了空间钢结构体系。对于钢管桁架结构杆件则选择的是无缝钢管，通过相贯焊的方式成功连接。

2.1主桁架

对鱼腹式立体桁架加以运用，将跨度确定成31.2m。而大跨度中的桁架高度是2.4m，支座部位采用逐渐收紧的形式，而桁架的两端则和桁架柱进行铰接处理。对于主桁架的上弦弦杆与下弦弦杆，其尺寸大小为φ299×12，而腹杆杆件的尺寸大小为φ114×6。

2.2次桁架

在主立体桁架中，次桁架的数量为五道，而跨度最大是14.7m，跨度最小是11.1m。对于此工程中的次桁架，使用的是1m高度的平面桁架，借助相贯节点形式和主桁架成功连接[2]。作为次桁架，不仅要对竖向荷载承载，同样要为主拱桁架提供所需的侧向支撑力，使得屋盖结构稳定性更强。其中，次桁架的上弦弦杆和下弦弦杆尺寸大小为φ168×8，而腹杆杆件的尺寸为φ89×7。另外，在次桁架的下弦节点位置，对吊点进行合理布置，数量为14个，而每个吊点重量为20kN。

2.3斜桁架柱

在圆形斜柱大跨度中庭结构中，需使用六根钢管立体桁架柱且向外部倾斜，以发挥支撑作用。其中的两根对主桁架进行支撑，截面呈矩形，且截面面积由下至上减小，剩余四根则对次桁架进行支撑，而截面呈三角形，截面面积由下到上减小。在中庭空间钢结构中，屋盖面和水平面的倾角是6°，投影呈椭圆形，不同桁架柱高度与倾斜角存在明显差异。在桁架柱的外侧，弦杆的尺寸大小为φ203×8，而桁架柱内侧弦杆的尺寸大小为φ203×12，腹杆的杆件尺寸是φ108×8。

2.4環形桁架

中庭空间屋盖的跨度相对较大，且柱脚的侧向推力也不小，支撑柱向外侧倾斜，所以很难对水平推力加以抵抗。与此同时，柱顶水平位移会明显增加。如果向下部结构传递所有水平推力，那么很容易影响下部结构的内力，并且出现形变情况[3]。一旦下部结构变形，必然会对上部屋盖受力的情况带来一定程度的影响。在这种情况下，即可将环形立体钢管桁架合理设置于柱顶位置，并且沿着屋盖圆面加以布置，进而对水平推力进行必要抵抗。对于环形桁架的截面，其属于变截面矩形，会根据桁架柱格构的改变而变化。其中，环桁架的上弦弦杆与下弦弦杆尺寸大小为φ89×7，腹杆的杆件尺寸是φ60×5。

3.圆形斜柱大跨度中庭空间钢结构计算分析

3.1荷载取值与组合

开展结构计算期间，需要对结构自重、升温、降温、屋面雪载、屋面恒载、风载以及地震作用进行综合分析。因雪荷载的取值比无人屋面活载取值要小，因而无须对此因素进行考虑，仅对屋面活载考虑即可。其中，恒载的标准数值是杆件自重与屋面板的自重、配重总和，即1.5kN/m2;吊点荷载的标准数值应按照每个吊点20kN的标准，统计14个吊点的荷载;屋面活载的标准数值是0.5kN/m2;温度作用时-25～+25℃;基本风压是0.5kN/m。在此工程中，将抗震设防烈度确定成6度，而抗震设防的类别则是丙类建筑。对基本地基加速度设计的时候，将数值确定成0.05g，而地震分组被设计成第一组。

3.2结构计算

对中庭空间钢结构的计算分析，需以空间整体计算模型为基础构建，而内力分析则要将杆系有限元作为主要参考依据。主桁架的弦杆应采用刚性连接的方式，通过铰接形式实现腹杆与其他支撑杆的连接。随后，引进SAP2000有限元程序开展相关分析工作。基于电算，还要手算复核关键的构件与节点。

通过对不同荷载工况条件下主要杆件的最大内力标准值计算后发现，主桁架两端的支座因未对转角加以约束，使得结构内力整体分布特点为两端小中间大，而桁架鱼腹式的造型则与此受力特征吻合。由于次桁架的上弦杆、下弦杆和主桁架相连，因而跨中和支座的内力类似。对于环形桁架，其主要的功能就是突出环箍效应，保证结构均匀受力。对于桁架柱而言，需要对结构内全部竖向荷载承担，所以其弦杆始终受压，受风荷载与水平地震影响，桁架柱的外侧弦杆实际受压程度会下降，但并不会收拉。

在此基础上，工程项目中，动荷载内力平均值在静荷载内力平均值中的占比可通过以下几个方面表现出来：

（1）风荷载。主桁架、次桁架、环桁架与桁架柱的占比分别为19%、10%、7%和37%;

（2）地震作用。主桁架、次桁架、环桁架与桁架柱的占比分别为4%、3.5%、6%、9%。

由此证实，工程项目中的动荷载作用形成的内力要比静荷载作用形成内力小，尤其是地震作用最小，未超过静荷载效应10%。在这种情况下，此结构则通过竖向静荷载进行控制。而且，温度改变而引起的杆件内力不大，因而处理节点的过程中要强调杆件冷热变换的具体影响。通过对构件应力云图的检查发现，杆件应力比低于0.7，而且应力均匀度明显，结构不存在薄弱的部位。

3.3位移与挠度

综合分析网架结构的设计和施工要求，应保证容许挠度低于。根据不同荷载工况条件控制点的最大位移计算结果发现，主桁架与次桁架的竖向变形挠度都比限值低，而且桁架柱柱顶实际水平位移不超过最小范围规定。

3.4对比MST计算结果

此工程选择SAP2000进行计算后，引入MST2006负责验算，并比较结构关键部位内力与位移数据进行比较分析。经对比后发现，两种计算软件的结果基本相同。

4.圆形斜柱大跨度中庭空间钢结构的动力分析

此结构动力特性为地震分析提供了必要保障，同样可对结构体系的合理性加以检验。借助SAP2000对结构模型加以创建，并对前30阶周期与模态作出系统分析。

第一模态：周期为0.59;第二模态：周期为0.50;第三模态：周期为0.45;第四模态：周期为0.42;第五模态：周期为0.37;第六模态：周期为0.28;第七模态：周期为0.27;第八模态：周期为0.26;第九模态：周期为0.25;第十模态：周期为0.24。

根据振形动画分析可知，次桁架发生局部振动，受模型没有重点分析屋面檩条相对于次桁架侧向支撑作用的影响，使得工程实践过程中规避了此类型模态处于靠前模态的情况发生。

在有限元结构模型的作用下，可分析整体屈曲情况。由于不同的工况条件，前几个阶屈曲模态的系数都是负数，从物理意义层面分析，即受反向荷载影响，主桁架与次桁架的下弦呈现侧向失稳的情况。但工程实践中并不存在反向荷载，所以无须对屈曲系数是负的模态加以考虑。

受竖向荷载的作用，结构稳定程度理想，且屈曲系数超过15，而主桁架的上弦局部有侧向失稳的情况，在屋面系统中需要对主桁架上弦侧向稳定性加以改进。当风荷载参与到组合中，桁架柱脚周边的腹杆会发生平面外失稳的情况，而且屈曲系数不高，对具体情况加以分析，屈曲系数实际会超过6.7。一般此类工程项目的一类稳定安全系数需要超过4，所以此项目稳定安全系数与基本要求吻合。

5.结束语

综上所述，在此工程项目中，景观造型有效地呈现出来，与建筑空间和功能等方面的需求吻合。但需要注意的是，结合建筑造型需求，对结构体系的合理化选用十分关键。中庭空间结构的主桁架使用了鱼腹式立体桁架，结构合理且受力性能理想，使得建筑造型更理想。而次桁架则选择平面桁架，杆件数量随之降低。环桁架结构整体的刚度显著增加，使得柱顶位移得以约束，效果突出。

参考文献

[1]邢喜旺，张文军，赵明亮， 等.大跨度空间钢结构吊装施工技术探究[J].中国高新科技，2018（8）：47-50.

[2]于兰兰.超高层建筑大跨度中庭火灾扑救对策研究[J].建筑工程技术与设计，2016（8）：2002-2002.

[3]熊志偉，迟春.大跨度钢筋混凝土空间曲面板壳结构分析及设计[J].四川建筑，2015（2）：144-146.

（作者单位：青岛环境工程设计院有限公司）

【中图分类号】TU391

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）10-0042-02