丽珠制药厂钢结构办公楼设计分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 3 年第 1 期 总第 1 7 5 期 丽珠制药厂钢结构办公楼设计分析 韩冰 上海美建建筑系统 中国 有限公司， 上海2 0 1 1 0 8 【 摘要】 丽珠制药厂行政研发楼， 共三个单体均为钢结构建筑， 建筑造型新颖独特， 其中办公区为钢框架 一 剪力墙结构体系， 公众区和研发区为双向钢框架结构体系。针对该工程的特点， 从结构体系、 抗震分析等方面 进行详细介绍， 重点分析了办公区钢框架 一剪力墙结构体系的结构设计过程。 【 关键词】 钢结构； 高层建筑； 钢框架 一 剪力墙结构体系 【 中图分类号】 T U 3 9 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 l 一 0 o 6 4 0 2 1 项 目概况 丽珠集团丽珠制药厂投资建造的迁建项 目一 一 行政研 发楼钢结构工程 ， 位于珠海市金湾区， 是由公众区、 办公区、 研发区三部分组成并通过连廊互相联通。其中公众区建筑 物高度 室外地面到主屋面的高度 为 2 2 ． 9 m， 研发 区建筑 物高度为 2 3 ． 4 m， 公众区和研发区均为多层建筑； 办公区建 筑物高度为4 3 ． 3 5 r n ， 为高层建筑 ， 建筑层数为地上 9层 ， 地 下 1层。建筑基底面积 6 4 4 6 m ； 建筑面积 3 4 5 1 3 ． 7 m ， 其中 地上 3 1 7 3 1 ． 7 m ， 地下 2 7 8 2 m 。 结构方面行政研发楼的公众区和研发区均采用双向钢 框架结构体系， 办公 区采用钢框架一钢筋混凝土剪力墙结 构体系。所有楼面均为混凝土楼面， 采用钢承板做楼层板。 研发区和办公区屋面均为混凝土屋面。公众区屋面中观众 区域和舞台区域屋面为网架结构轻型屋面， 公众区其余区 域屋面为混凝土屋面。研发区和办公区之间的中庭屋面为 钢桁架结构轻型屋面。该行政研发楼主要建筑平面及剖面 详见 下图 2一图 4 。 图1 行政研发楼平面图 图2 行政研发楼剖面图 2 钢结构总体设计思路 本工程地处珠海市， 该地区的特点为 风荷载较大 本 次设计风荷载基本风压取值 0 ． 9 k N ／ m ， 同时地震作用也 较大 7度0 ． 1 g ， 第一组 ， 两者同时起到控制作用。 公众区3～5 层为影剧院， 中间看台部分有大面积开洞， 办公区9层高层建筑外形设计为椭圆形， 楼梯间布置在短轴 两端， 造成长轴方向和短轴方向的刚度差异， 因为建筑的功 能和建筑立面设计要求决定了结构布置无法做到非常合 理， 因此在设计中将结构的侧向刚度和变形控制作为结构 设计的关键。 在做结构方案时最初考虑均采用双向框架结构， 在5层 楼的公众区和研发区均可以计算通过， 同时柱、 梁等截面尺 寸基本可以控制在业主能接受的范围内。但是在 9层的办 公区由于是高层建筑， 平面形状为椭圆形， 存在长轴方向和 短轴方向整体刚度不均匀的情况， 尤其是扭转变形较大且 变形较难控制， 柱子轴力也较大 ， 如果要计算满足规范要求 截面将非常大， 电不利于业主方的使用， 同时由于用钢量大 经济性也很差， 因此根据办公楼的受力特点， 采用了钢框架 一 剪力墙结构体 系， 框架结构的特点 的空间灵活布置。 但缺点是 侧移刚度较小， 建筑最大高度较小。剪力墙结构 的特点 侧移刚度大， 建筑高度大， 适用高层建筑。但缺点 是 建筑平面布置局限性大， 较难获得较大的空间。因此将 两者结合起来取长补短的框架 一剪力墙结构， 既能获得框 架结构的大空间又能获得相对较大的侧移刚度 结合本建 筑方案在短轴的两端设置的楼梯间墙体做成剪力墙结构， 增强短轴方向侧移刚度， 控制扭转变形， 其他部位采用钢框 架结构以获得较大的使用空间， 同时空间也可以灵活布置。 由于办公区柱子受轴力较大， 因此考虑采用钢管混凝 土柱， 钢管混凝土柱有利于提高框架结构的刚度并改善其 延性， 同时钢管混凝土柱的承载能力高， 可以大大减小柱截 面尺寸， 这样的组合发挥了钢管和混凝土的各 自性能优势 ， 因此钢管混凝土柱具有刚度大 ， 承载力高， 同时施工也较为 方便， 有利于缩短工期等优点。 因此在设计建模时对 5层楼的公众区和研发区采用方 管柱和 H型钢梁组成的双向钢框架结构体系， 对 9层的办 公区高层采用的是钢框架一钢筋混凝土剪力墙结构体系， 在椭圆短轴的两端设置楼梯间剪力墙形成筒体， 钢框架柱 采用钢管混凝土柱和 H型钢梁。 3 结构整体计算 韩冰 丽珠制药厂钢结构办公楼设计分析 6 5 本文着重探讨高层建筑办公楼 的钢结构设计， 在设计 中采用的计算软件是建科院的 P K P M - S T S 软件， 采用钢结构 框架建模， 并用 S A T WE程序进行分析计算， 从平面图中可 以看出办公楼两个剪力墙楼梯间位于椭圆短轴的两端形成 筒体偏置， 虽然短轴方向的刚度得到了加强， 但是椭圆长轴 的两端刚度较小 ， 且椭圆长轴方向的一端一层与二层无楼 面， 因此刚度更弱 ， 侧向刚度与扭转刚度之比难以满足规范 要求， 通过调整结构的平面布置 ， 加强长轴两端结构刚度、 开洞口调整短轴两端剪力墙筒体刚度、 增加外围连梁的高 度以及加大柱截面等措施来改善结构布局的合理性从而达 到满足规范要求的周期比。 荷载信息 办公 区楼 、 屋面使用荷载的具体取值要求 如下 1 各层楼面 楼梯问、 前室、 走廊、 阳台 3 ． 5 k N ／ m ； 卫生间 8 k N ／ m ； 配电室 1 0 k N ／ m 2 ； 信息部机房 8 k N ／ m ； 各 类办公区 2 k N ／ m 。 2 屋面 2 ． 0 k N ／ m 。结构布置 图及计算模型如图 3 、 图 4所示。 I I ■’ 。 一 ＼} ． - 一 ． ． ． j ． 1’ 图3 一层结构布置平面图 。▲ ’ 。 。 ▲‘ 图4 标准层结构布置平面图 周期计算结果 平动为主的第一 自振周期 n 周期值 1 ． 4 0 6 7为 y向平动， 扭转为主的第一 自振周期 乃 周期值 1 ． 2 5 4 3为扭转 ， 计算表明结构的主要振型以平动为主， 扭转 为主的第一 自 振周期与平动为主的第一 自振周期之比小于 0 ． 9 ， 满足 J G J 32 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规范 的 要求。地震力和风荷载作用下的结构反应计算是结构设计 中的重要内容， 经过计算地震荷载作用下的结构最大层间 位移 1 ／ 1 2 5 2 ， 满足规范限值 ≤1 ／ 2 5 0， 风荷载作用下的结构 最大层间位移 1 ／ 3 1 1 9 ， 满足规范限值≤1 ／ 4 0 0 。可见结构在 地震作用和风荷载作用下层间位移满足 J G J 32 0 0 2 高层 建筑混凝土结构技术规范 和 G B 5 0 0 1 12 O L O 建筑抗震设 计规范 的要求。 对于变形结果的分析表明， 结构模型合理 ， 计算结果均 能达到规范要求， 因此该设计方案可行， 并且经过多次试算 调整， 将用钢量降低到相对比较经济的水平， 主结构构件重 量总计 1 3 8 2 ． 5 5 t 。 4 主要节点设计及构造 根据结构设计基本理念 “ 强节点 ， 弱构件” 因此节点设 计及计算对于整幢房屋的安全而言也是非常重要的， 首先 是柱脚的设计， 本工程中主体结构柱脚位于地下层 ， 首先考 虑的是刚接柱脚的受力性能及用钢量和施工方便并且考虑 到地下室将来的使用 ， 综合以上因素首先考虑插入式柱脚， 根据 建筑抗震设计规范 条文说明 8 ． 1 _ 9条“ 当设置地下 室时， 房屋一般较高， 钢框架柱宜伸至地下一层” ， 因此插入 深度为地下室底板顶面， 钢柱埋人部分周围焊接 6 1 6 栓钉 ， 增加与混凝土之 间的剪切力， 能更好的把柱脚内力传递给 混凝土基础。 框架结构梁柱节点均为刚性节点， 由于柱子采用的是 圆钢管 ， 柱内节点板难以制作 ， 故考虑采用节点外环板的形 式 ， 外环板在工厂焊接， 考虑到现场安装方便外环板伸出一 段牛腿 ， 与其相连的钢梁在施工现场与牛腿拼接 ， 由于节点 部位是重要的受力和传力位置 ， 因此施工质量格外重要， 外 环板在工厂完成 ， 可以使用专业的大型焊接机械， 焊接质量 容易保证 ， 现场施工的拼接点在伸出一段的牛腿上， 避开了 受力较大的部位 ， 合理的降低了焊接的难度， 也方便了现场 的施工作业。 5结语 钢结构是与低碳节能建筑配合较好的结构体系， 钢结 构与普通钢筋混凝土结构相比， 其具有匀质、 高强、 抗震性 能好和回收率高等优越性， 钢比砖石和砼的强度和弹性模 量要高出很多倍， 因此在荷载相同的条件下， 钢构件的总体 重量轻、 节省基础、 造价低。从被破坏方面看， 钢结构是在 事先有较大变形预兆 ， 属于延性破坏结构 ， 能够预先发现危 险， 从而避免灾难。但是在设计方面与传统的混凝土结构 相比钢结构的变形控制计算等相对复杂， 节点的设计， 对于 钢结构房屋至关重要， 因此在设计 中要牢牢把握“ 强节点 ， 弱构件” 的设计理念。笔者将丽珠制药厂这幢体型及使用 功能相对复杂的钢结构高层建筑拿出来， 为工程技术人员 提供一些借鉴和参考。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范[ S ] ． [ 2 ] J G J 9 9 9 8 ， 高层民用建筑钢结构技术规程[ S ] [ 3 ] G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范[ S ] ． [ 4 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范[ S ] ． [ 收稿日期] 2 0 1 2 0 9 2 1 [ 作者简介] 韩冰 1 9 7 9一 ， 男， 上海人 ， 工程师， 从事钢结 构设计工作。 ● ● ● ● ● ●●●● ● ●，1●● ●． ● ，● ● ●●●●●● ■1●●