柳州會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)與分析

　　關(guān)鍵詞：異型柱, 計(jì)算長(zhǎng)度, 屈曲分析, 振動(dòng)分析

　　1 工程概況

　　柳州會(huì)展中心 位于柳州市柳東新區(qū)，西邊臨柳江，與三江門風(fēng)景區(qū)隔河相望;北鄰城市快速路柳東大道，濱江城市休閑帶;東面與大片的城市風(fēng)景林帶相接，是聯(lián)系柳州老城區(qū)與柳東新區(qū)的重要空間結(jié)點(diǎn)。

　　該項(xiàng)目地下一層，地下面積4628.69m2，地上一層(局部二層、三層)，地上面積31038.24m2，建筑高度30.15m，會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)柱頂高跨跨度64.5m，總用鋼量約9900t。建筑的三維效果圖如圖1，圖2所示。

　　2 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)分析

　　該工程平面尺寸為78mx316m，縱向超長(zhǎng)，因此將結(jié)構(gòu)縱向劃分為A、B兩個(gè)區(qū)段。根據(jù)平面尺寸特點(diǎn)，橫向采用鋼框架，縱向采用鋼框架+支撐的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的橫向框架剖面如圖3所示。該結(jié)構(gòu)屋面跨度為64.5m，柱距21m，屋面采用管桁架結(jié)構(gòu)體系;由于柱距較大，為了配合屋面的輕鋼結(jié)構(gòu)，在二層樓面處設(shè)置縱向人字支撐，用以支撐兩榀橫向框架之間的管桁架，從而減小檁條的跨度，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的縱向抗側(cè)剛度。

　　由于該工程為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，選用具有強(qiáng)大計(jì)算分析能力的三維計(jì)算軟件MIDAS7.8版進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析。由于建筑軸線為弧形，且造型復(fù)雜，故采用三維CAD進(jìn)行輔助建模，

　　在CAD里完成三維線條建模后，再導(dǎo)入MIDAS軟件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體建模，整體模型如圖4、圖5所示。通過(guò)MIDAS的整體計(jì)算分析，在地震與風(fēng)荷載的作用下，A區(qū)結(jié)構(gòu)的第一周期為1.06s(平動(dòng))，第二周期0.57s(扭轉(zhuǎn))，第三周期0.42s(平動(dòng))，周期比0.57/1.06=0.54小于0.9，滿足要求;地震作用下最大側(cè)向位移1/4195，風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移1/7976，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　3異型柱的截面等剛度代換

　　本工程采用的柱截面形式有多種，包括箱型的，“日”字型的，以及 “雙目”字型截面等，對(duì)于“雙目”字型截面，軟件無(wú)法直接輸入，為計(jì)算簡(jiǎn)便，采取等剛度代換(包括抗彎剛度與軸壓剛度)的原則把異形柱截面代換為常規(guī)的箱型截面。

　　4異型柱的計(jì)算長(zhǎng)度的確定

　　由于建筑外形的需要，柱子采用異型純鋼柱(折型柱，詳見(jiàn)圖3)，不同于常規(guī)的直柱，所以對(duì)于本工程，柱子的計(jì)算長(zhǎng)度如何確定是關(guān)鍵。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)，計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法有兩種：一種是以多項(xiàng)假定為基礎(chǔ)，分別對(duì)框架結(jié)構(gòu)有側(cè)移、無(wú)側(cè)移情況建立臨界狀態(tài)的平衡方程，求解框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù);另一種是對(duì)框架結(jié)構(gòu)施加假想水平力的近似二階分析方法。而本工程結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，屬非常規(guī)結(jié)構(gòu)，規(guī)范提供的兩種計(jì)算方法并不適用，故本工程采用整體屈曲分析進(jìn)行求解，具體過(guò)程為：

　　(1)對(duì)給定的荷載組合采用線性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到所有柱子的軸力;

　　(2)以這一荷載工況的組合軸力pj作為標(biāo)準(zhǔn)，乘以屈曲因子;

　　(3)形成有限元分析的剛度矩陣，進(jìn)行特征值分析，得到臨界荷載因子;

　　(4)求得臨界荷載，利用歐拉公式臨界力Ncr=π2EI/l2，反算桿件的計(jì)算長(zhǎng)度。

　　采用MIDAS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈分析，考慮的工況為1.35恒載+0.98活載。如圖6所示，結(jié)構(gòu)在第120 模態(tài)時(shí)柱子發(fā)

　　生明顯的屈曲，此時(shí)對(duì)應(yīng)柱子的臨界軸力為Pcr=24540kN，由歐拉公式反算出異形柱計(jì)算長(zhǎng)度l=41.6m。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用同樣的方法，用SAP2000軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為異形柱計(jì)算長(zhǎng)度l=38.5m，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，取MIDAS計(jì)算結(jié)果，即柱計(jì)算長(zhǎng)度取41.6m。

　　5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　本工程為空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)形式較為特殊，本文著重介紹以下幾處節(jié)點(diǎn)：

　　(一)直柱與斜柱連接節(jié)點(diǎn)：直柱與斜柱相交形成“單K”或“雙K”節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)形式按方管與方管相貫處理，相貫處增加橫向隔板;

　　(二)縱向柱間斜撐與管桁架連接節(jié)點(diǎn)：按類似球形支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7所示;

　　(三)屋面管桁架節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)為圓管與圓管相貫節(jié)點(diǎn)，按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算及構(gòu)造要求;

　　(四)斜柱柱頂與管桁架連接節(jié)點(diǎn)：屋面管桁架與框架斜柱連接按相貫節(jié)點(diǎn)處理，柱子與圓管相貫部位增加構(gòu)造加勁肋，如圖8所示。

　　6狹長(zhǎng)樓板振動(dòng)分析

　　該結(jié)構(gòu)有部分樓板區(qū)間為3mx21m，屬于狹長(zhǎng)樓板，考慮到人在行走時(shí)樓板容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響人的舒適度，因此有必要進(jìn)行樓板振動(dòng)分析。文獻(xiàn)[1]提供了樓板振動(dòng)分析的計(jì)算方法，主要包括豎向自振頻率fn的控制(滿足fn≥3Hz)和峰值加速度的控制(滿足ap/g=p0e-0.35fn/βω)≤a0/g)，本文計(jì)算結(jié)果為fn=7.8Hz>3Hz，ap/g=0.288%<0.5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　7結(jié)語(yǔ)

　　隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在多高層建筑尤其是復(fù)雜空間建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文結(jié)合柳州會(huì)展中心的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的柱計(jì)算長(zhǎng)度取值問(wèn)題、柱等效剛度代換問(wèn)題、復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)問(wèn)題以及非常規(guī)樓板振動(dòng)問(wèn)題等提出了較好的處理方法，對(duì)類似工程有借鑒作用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]徐培福. 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社

　　[2]張建軍，劉瓊祥，郭滿良等. 深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)空間鋼結(jié)構(gòu)桿件計(jì)算長(zhǎng)度研究[J]建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)2011,32(5)：39~47;

　　[3]童根樹(shù). 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[M]北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社2007;

　　[4]王勖成. 有限單元法[M]北京：清華出版社2003;