淺析高空鋼結構體系的設計

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鋼桁架體系模型的建立及優(yōu)化

1鋼桁架體系的建立

從結構受力來看，由于所有荷載都將傳遞至下部鋼筋混凝土框架剪力墻體系上，下部結構體系承受了很大的負荷，如何設計并優(yōu)化這一結構就變得十分關鍵。設計遵照BS5950:2000標準，利用SAP2000有限元計算軟件建立了精確的三維空間計算模型(見圖3)，模型包括了3D鋼桁架與LED畫像平面剛架，考慮了檢修樓梯、支撐等全部結構構件。為簡化水平作用的計算，設計將模型分為10層，基礎為屋面標高，在局部坐標系里定為±0.000標高點，向上第1層為10m，第2～9層為5m，最高1層為4.08m。初步設計時，假定該體系直接固定在屋面板上，支座如圖4所示，模型中支座被假定為固定支座，以得出支座反應數(shù)據(jù)再驗算樓板承載力。而按照英國標準考慮荷載組合，初步計算后得出在選用S-335級型鋼時支座產生的包絡反力值，如表1所示。

2設計優(yōu)化

1)驗算后發(fā)現(xiàn)屋面板按現(xiàn)有梁柱布置情況不能承受該體系的質量，但若在桁架柱支座下方添加支撐體系，勢必影響塔樓下層的使用空間，這與建筑頂層為酒店的建筑功能相沖突;于是設計在兼顧這些因素的情況下，做了如下修改:將支座外移組合到屋面四角柱內，設置預埋件為其提供豎向支撐。2)水平荷載下的結構受力安全依前文所述，風荷載考慮為3kN/m，LED畫像的受荷面積取為全部面板1/2的情況下，計算得出水平位移過大，因此設計在鋼結構體系下部增加了10處水平支撐，支撐均設置在屋頂以上設備層樓板標高處，并直接與混凝土核心筒中的預埋件固定，最終確定設計模型如圖3所示。計算結果顯示鋼結構各部分在各荷載組合下的承載力計算安全，變形驗算可靠。

3構件截面設計

在AlHikma高層鋼結構設計中，主要采用焊接箱形桁架截面作為標準構件，可以有效地節(jié)約成本;選用S-335J0級鋼材，焊接組成如圖6所示的標準桁架單元，再逐層采用Degree8.8級(英國標準BS3692)的鍍鋅螺栓連接，簡化了施工過程。

1)鋼材的選用。在本工程高空鋼結構體系中，工字鋼主要采用S-355J0級鋼板材制作，而圓鋼管與方鋼管則主要采用S-355JOH無縫鋼管;這類鋼材在英國規(guī)范BSEN10025(1994)中屬于工程和焊接用非合金鋼，當鋼材厚度＜30mm時，其含碳率≤0.20%，含磷率與含硫率均≤0.040%，經實測得其屈服強度≥385MPa，抗拉強度在525～590MPa，伸長率≥22%，縱向沖擊韌性≥36%，具有良好的機械性能與焊接性能，均滿足規(guī)范要求。

2)截面設計。進行鋼結構構件截面設計時，其中最重要的一個因素是結構構件的應力水平，構件的應力水平不僅體現(xiàn)構件安全與否，而且還與結構的用鋼量直接相關。本案中由于安全性的考慮，桁架各構件的應力比均控制在＜0.7的范圍之內。

主要計算結果與用鋼量統(tǒng)計

1靜荷載作用下的內力與變形

在考慮恒荷載、活荷載、風荷載和溫度作用的組合下，對結構空間計算模型進行分析，得出內力與變形值。由程序的計算結果可知，最大層間位移均發(fā)生在y向風荷載單獨作用下，其值如表2所示。

2用鋼量統(tǒng)計

在高空鋼結構設計概算階段，整個桁架體系的統(tǒng)計用鋼量為720.7t。

結語

綜合該高空鋼結構體系的設計過程，不難發(fā)現(xiàn)就中東燥熱地區(qū)高層建筑的露天鋼結構焊接箱形桁架而言，由于其設計截面較小，在考慮了各種效應的作用(包括當?shù)卦餆釟夂蛴绊?之后，鋼結構設計的重點仍應放在對構件截面設計與優(yōu)化之上，并通過建立3D設計模型來對體系構件的應力比進行優(yōu)化，提高材料的利用率，使結構的經濟性更加優(yōu)化。（本文作者：王力尚、李方升、田三川、許輝 單位：中建中東有限責任公司、中建股份有限公司海外事業(yè)部）