苏州某银行大楼中庭钢结构设计.pdf

第 44 卷 第 1 期 2014 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 44 No． 1 Jan． 2014 苏州某银行大楼中庭钢结构设计 戴雅萍， 张志刚， 陈磊 苏州设计研究院股份有限公司，苏州 215021 ［ 摘要］ 某银行主楼与裙房之间设置了下部挑空 3 层的中庭， 4 层的行政餐厅采用钢桁架来实现中庭大空间的建 筑功能要求， 中庭连廊平面呈梯形。通过计算， 对每榀桁架进行了多方案比较， 最终确定了最优的截面布置。通过 桁架整体计算， 对桁架固定支座处存在的水平力进行了分析， 并采用了合理的节点设计以及合适的加载方式， 充分 考虑了水平力对结构的影响， 完成了钢桁架的结构设计。 ［ 关键词］ 钢桁架;桁架支座;水平力;加载方式 中图分类号 TU391文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2014 01- 0012- 04 Steel structure design on atrium of a bank building in Suzhou Dai Yaping，Zhang Zhigang，Chen Lei Suzhou Institute of Architectural Design Co．，Ltd．，Suzhou 215021，China Abstract A three- layer- high atrium space is located between skirt building and the main building of a bank．The administration restaurant at the fourth floor，which s a ladder shape，adopts steel truss structure to realize architecture requirements of large space in atrium． Different steel truss arrangements were compared through analysis to determine optimal cross- section layout． Through calculation of the overall truss，horizontal forces of fixed bearings were analyzed． To realize the structure design of steel truss，reasonable joints design and loading s were adopted，and effects of horizontal forces on the structure were considered． Keywords steel truss;truss pedestal;horizontal force;loading 作者简介 戴雅萍， 硕士， 教授级高级工程师， 一级注册结构工程师， 总工程师， Email yaping． dai siad- c． com。 1工程概况 某银行苏州分行大楼为美国贝聿铭建筑事务所 在国内设计的一座标志性建筑。建筑物由主塔楼及 东侧裙房、 中庭连廊组成。主塔楼地上 22 层为办公 用房， 顶部 2 层为机械用房， 采用钢筋混凝土框架- 剪力墙结构体系， 地面以上结构高度为 99. 12m; 裙 房地上 4 层， 局部 1 层夹层， 采用混凝土框架- 剪力 墙结构体系， 地面以上总高度 20. 85m; 主塔楼及裙 房之间在 4， 5 层通过 1 层的中庭连廊连接， 连廊层 高 4. 3m， 4 层为餐厅和设备机房， 5 层为连廊景观屋 面， 采用大跨度钢桁架结构。整个建筑整体效果图 见图 1， 中庭连廊剖面见图 2。 2结构布置 中庭连廊采用钢结构桁架来实现入口大厅大跨 度挑空的建筑形式， 结构上中庭连廊与主塔楼设置 120mm 宽的防震缝， 中庭连廊与东侧裙房结构整体 相连， 结构平面布置图见图 3。从图中可见， 从南侧 至北侧设置了5 榀钢结构桁架， 分别为 TＲUSS1 ～5， 其桁架跨度分别为46. 117， 37. 677， 33. 604， 29. 085， 25. 017m， 桁架高度为4 300mm， 以 TＲUSS2 为例， 其 典型桁架立面图如图 4 所示。 桁架杆件截面采用 H 型钢， 典型腹杆截面 H500 300 16 20， 其杆件长度与截面高度比最 图 1建筑整体效果图 大为 8. 3， 因此腹杆、 弦杆节点均按刚接假定; 桁架 之间设置 H 型钢次梁， 典型截面 H700 350 16 26。为节约净空高度， 楼层板采用 120mm 厚的钢筋 桁架板， 钢筋桁架板的典型截面大样如图 5 所示。 另外弦杆均与本层楼板脱离， 即同层次的楼板底部 高出弦杆 30mm， 不直接支撑在弦杆上， 避免弦杆因 非节点区域受力而在弦杆中产生较大弯矩而降低弦 第 44 卷 第 1 期戴雅萍， 等． 苏州某银行大楼中庭钢结构设计 图 2剖面图 图 3结构平面布置图 图 4典型桁架立面图 图 5钢筋桁架板大样图 杆的受力性能 ［1 ］。 3桁架结构方案选型 钢桁架弦杆的设置方式有两种 方案一 型钢的 强轴向垂直于桁架立面; 方案二 型钢的强轴向平行 于桁架立面。在初步设计阶段， 对两种布置方式进 行了反复的比较， 以 TＲUSS1 为例， 挑选下弦杆的中 间位置截面， 两种设置方式在恒荷载、 活荷载组合下 的内力数据见表 1。 TＲUSS1 内力、 应力比汇总 表 1 设置方式内力计算值截面设置应力比 轴力/kN18 641. 7 方案一弯矩/ kN m 760. 8H600 700 55 550. 741 剪力/kN10. 4 轴力/kN18 782. 1 方案二弯矩/ kN m 373. 2H600 700 55 550. 737 剪力/kN5. 6 由上述计算分析可见 1 方案一由于弦杆平面 内刚度比较大， 吸收的弯矩也较大， 因此整个截面设 计的应力比比方案二略高一些; 2 两个方案的轴力 相差不多。 值得注意的是， 由于 TＲUSS1 桁架立面上必须 与幕墙的模数相匹配， 个别平面外搁置过来的次梁 没有位于节点位置， 造成弦杆中间位置有集中力， 但 由此造成的弯矩值占整个弯矩值比例较小， 因此， 上 述结构布置特点不成为上述方案比较的重点考虑因 素; 虽然方案一的截面抗弯抵抗矩较大， 但考虑到截 面中处于高应力状况的区域占整个截面的比例较方 案二大， 因此从效率和截面的安全储备来说， 方案二 较为合理。 在初步设计阶段， 考虑到桁架受力较大， 而桁架 的高度受限制， 桁架弦杆与东侧裙房的连接方式考 虑均采用不动支座， 但经过计算， 该种边界条件下， 支座的水平力较大， 达到 15 800. 1kN， 支座和裙房 相连的梁无法承受如此大的水平力， 所以在设计中， 把上弦杆设计成可滑动的支座， 以此来释放水平力。 当然， 如此带来的问题是整个桁架的抗弯刚度下降， 竖向变形会增加， 但整个结构的变形及杆件承载力 均在可控范围之内。 4钢桁架的整体模型分析 本工程桁架共5 榀， 单榀平面桁架受力分析显 示， 每榀桁架竖向变形相差比较大， 从南往北桁架 在正常使用阶段的竖向变形为 55. 43， 65. 38， 48. 24， 33. 16， 23. 99mm; 桁架平面呈不规则的梯 形截面， 而且桁架平面 4 层北侧为机房， 南侧为餐 厅， 同一层楼面的使用活荷载类型差异比较大。 因此有必要对桁架进行整体受力分析， 了解桁架 变形协调下楼板及边界构件的受力状况。钢桁架 整体三维模型如图 6 所示。桁架整体模型分析结 果有如下几点值得注意 1 承担各榀桁架变形协调功能的组合楼盖应 力分析结果如图 6 所示， 5 层楼板主应力以压应力 31 建筑结构2014 年 为主， 4 层楼板应力以拉应力为主， 上下两层楼板应 力均在混凝土的抗压和抗拉强度设计值范围之内， 考虑到各榀桁架的竖向变形相差比较大， 施工图设 计时必须加强钢筋桁架楼板的配筋以及钢筋桁架板 与钢梁的连接。 图 6整体分析模型及楼板应力/ N/mm2 2 与单榀平面模型相比， 整体模型分析得出 的钢桁架应力比较小， 以 TＲUSS1 中间的下弦杆杆 件为例， 整体模型分析下的杆件应力比为 0. 486， 小 于单榀模型分析下的 0. 741。在整理分析模型中， 定义了楼板的平面外以及平面内的刚度， 上述整体 模型下应力比偏小的原因是因为钢桁架杆件设计时 考虑了混凝土楼板的抗压、 抗拉作用。根据上述分 析计算结果， 在施工图设计中， 有以下需要考虑的 1 必须加强楼板的配筋; 2 加强钢筋桁架板与钢梁 的连接以保证楼板发挥一定的组合受力作用; 3 考 虑到结构的重要性、 安全性， 桁架应力比控制以单榀 平面模型分析为主。 3 4 层的桁架支座反力显示， 在恒荷载和活 荷载的组合作用下， 两个正交方向均存在一定数 值的水平力， 以受力较大的第二榀桁架为例， 平行 于桁架布置向的水平力为396. 4kN， 垂直于桁架平 面向的水平力为 495. 2kN。施工图期间如何合理 地传递或者抵抗这些水平力成为了本工程桁架设 计的关键点。 5节点设计 5. 1 钢桁架弦杆与腹杆连接节点设计 根据之前的方案比较分析， 钢桁架弦杆与腹杆 为 H 型钢截面， 并按照强轴水平向放置的设置方 式， 其典型节点设计如图 7 所示。为保证节点区钢 板承载力的可靠性， 对受力较大的典型节点进行了 应力分析， 分析模型及节点分析应力结果如图 8 所 示。节点应力分析结果显示， 在最大荷载基本组合 值下， 节点区的钢板应力值未超过钢材的强度设计 值， 该节点的设计在安全性上可以得到保证; 同时应 力分析也显示， 在腹杆与弦杆的翼缘板交接位置， 应 力值较其他位置偏大， 有应力集中现象出现， 桁架制 作过程中应要求加工制作单位注意该部位作一些连 接加强处理， 减小应力集中效应。 图 7钢桁架弦杆与腹杆连接节点 图 8钢桁架弦杆与腹杆连接节点模型及应力图/ N/m2 5. 2 钢桁架上弦支座与裙房混凝土构件连接节点 如前所述， 钢桁架若上下弦均与东侧裙房固接， 则存在的水平力过大， 节点设计无法实现， 因此对上 弦采用部分滑动的设计来释放过大的水平力。考虑 到桁架的整体稳定性， 又不能完全设计成滑动， 另外 钢桁架屋顶覆土荷载较大， 实际上固接节点产生的 水平力大部分是由恒荷载产生的， 因此该节点设计 成如图 9 所示的节点。 连接板的长圆孔用于释放恒荷载下的水平力， 待桁架主体以及屋顶覆土完成后再完成安装螺栓的 拧紧工作， 同时复核预埋件在活荷载以及幕墙等荷 载作用下的承载力， 计算显示， 此部分荷载产生的水 平力不大， 可以由与桁架连接的混凝土构件承担。 5. 3 钢桁架下弦支座与主楼连接的滑移支座节点 中庭桁架与高层主楼设置 120mm 的防震缝， 主 楼位置伸出牛腿， 桁架搁置在上面， 桁架支座设计成 41 第 44 卷 第 1 期戴雅萍， 等． 苏州某银行大楼中庭钢结构设计 图 9桁架上弦支座节点 双向 滑 移 橡 胶 支 座， 支 座 水 平 最 大 位 移 限 值 150mm，支座的设计详图如图 10 所示。支座设计 参照中交公路规划设计院的桥梁盆式支座 GPZ Ⅱ 型， 现场支座的照片如图 11 所示。 图 10桁架双向滑移支座 图 11盆式支座现场照片 5. 4 钢桁架下弦与东侧裙楼连接的固定支座节点 桁架的整体受力分析显示， 在桁架的固定支座 处存在着一定数值的水平力， 垂直于桁架平面外的 水平力考虑由楼板以及下弦平面外的钢梁承担; 由 于中庭桁架与东侧裙房连接位置存在较多的楼梯洞 口以及设备管井洞口， 该部分的水平力无法由楼板 有效传递; 橡胶支座抵抗水平力也有一定的局限 性， 因此节点设计时考虑橡胶水平支座与该位置 与之相连的混凝土梁来同时承担水平力; 同时通 过施工加载顺序来有效控制水平力的产生时间和 传力路径， 节点设计如图 12 所示， 具体方法如下 1 桁架吊装就位后， 连接裙房的高强螺栓先就位， 不拧紧; 2 中庭桁架东侧靠近裙房位置留设 1m 长 的后浇带， 浇筑混凝土， 注意做好桁架施工期间的 稳定支撑工作; 3 屋顶建筑防水完成， 覆土也完 成， 桁架此时西侧可滑移， 东侧也可滑移， 此时认 为桁架支座仅产生少量由于施工误差引起的水平 力， 该部分水平力由支座本身承担; 4 最后拧紧安 装的高强螺栓， 浇筑后浇带。 图 12桁架下弦支座节点 上述节点做法和施工顺序的目的在于 1 释放 数值较大的恒荷载产生的水平力; 2 活荷载以及装 修恒荷载、 风荷载下产生的水平力由橡胶支座以及 桁架端部的预埋件承担。计算显示， TＲUSS2 在此 措施下固定支座水平力为 105. 6kN， 端部的高强螺 栓预埋件完全可以承受。 6施工要点 钢桁架吊装高度 20. 85m， 最大桁架跨度达到 46m 多， 为保证质量以及设计意图， 采取如下措施 1 桁架在地面进行分段拼装， 并采取措施严格控制 精度并进行预拼装， 地面拼装完成后采用整体提升 的吊装方法; 2 桁架构件均要求采用全熔透坡口 焊， 焊缝等级为一级， 且为避免截面削弱， 受拉构件 拼接位置腹板不宜开设较大的半圆孔［2 ］; 3 要求施 工单位特别注意设计方要求的施工顺序， 例如中庭 桁架的后浇带浇筑时间、 桁架端部高强螺栓拧紧的 时机; 4 南北两个立面的桁架上挂有幕墙， 由于桁 架跨度较大， 竖向变形也比较大， 幕墙安装必须在屋 顶覆土完成、 桁架大部分竖向变形产生后方可进行， 否则幕墙必须设置足够的竖向变形装置以满足桁架 的变形。桁架现场拼装照片见图 13。 下转第 57 页 51 第 44 卷 第 1 期尹国高， 等． 京沪高铁徐州东站旅客人行天桥振动研究 将列车风所引发的振动与基础传递荷载所引发 的振动幅值线性叠加， 得到采用增设立柱和阻尼器 方案之后天桥的振动总反应， 如表 4 所示。可以看 出增设立柱和阻尼器对主梁跨中振动有非常明显的 减振效果， 减振幅度达到了 70 左右， 而桥面跨中 区域的减振幅度则为 30左右。 减振方案下的振动总加速度幅值及减振幅度表 4 工况 原结构 / mm/s2 增设立柱和阻尼器 / mm/s2 减振幅度 / 桥面跨中1 32094628 主梁跨中1 04629272 5结论 1 列车正线高速过站时， 各工况下天桥跨中 的竖向振动加速度幅值为 0. 579m/s2， 柱顶和柱底 竖向振动加速度均较小。天桥主体的水平振动加速 度较小， 而围栏玻璃水平振动加速度响应较大， 幅值 为 0. 983m/s2。 2 列车高速过站以及行人经过时， 天桥跨中 竖向振动的卓越频率为 4Hz， 与其竖向自振频率一 致， 说明列车通过以及行人通过时均激发了天桥的 自振。 3 经过分析， 列车风是引发天桥振动的主要 因素， 列车风所引发的天桥振动比由基础传递到柱 底的荷载所引发的天桥振动大 5 ～10 倍。实测得到 的天桥振动从幅值和波形上来看， 均与由列车风所 引起的天桥振动十分接近， 证实了计算的正确性。 4 对天桥主体结构进行了疲劳计算， 该站的 主要结构构件以及天桥玻璃围栏立柱钢构件的应力 幅值均满足钢结构设计规范 GB 500172003 的要求。 5 列车在正线以 300km/h 时速通过以及行人 经过时， 该站天桥跨中振动加速度均小于欧盟标准 规定的人体舒适度限值。根据计算结果， 列车在正 线以 350km/h 时速通过时， 该站天桥跨中振动加速 度均大于舒适度限值。采用增设立柱和阻尼器方案 后， 主梁跨中区域的减振幅度可达 70 左右， 桥面 跨中区域的减振幅度则为 30 左右， 且该方案施工 和后期维护都比较简单。 6 高速铁路在我国的发展处于初步阶段， 不 可避免地带来一些新的问题。鉴于在列车高速通过 时， 列车风给上方天桥带来的动力影响很大。建议 今后此类天桥在设计时应采取有效的减振措施， 同 时尽可能增大天桥底部到列车顶部的距离以减小列 车风的动力作用。 参考文献 ［1］ 曹雪琴． 列车通过时桥梁结构竖向振动分析 ［ J］ ． 上 海铁道学院学报， 1981， 2 3 1- 15． ［2］ ALLEN D E，MUＲＲAY T M．Design criterion for vibrations due to walking［ J］ ． Engineering Journal， 1993， 30 4 117- 129． ［3］ 宋志刚， 金伟良． 行走激励下大跨度楼板振动的最大 加速度响应谱方法［ J］ ． 建筑结构学报， 2004，25 2 57- 63． ［4］ 周志勇， 程波， 艾辉林． 高速列车过站空气动力学效应 的数值模拟研究［J］ ． 力学季刊， 2010， 31 4 521- 527． ［5］ 郑循皓，张继业，张卫华． 高速列车转向架空气阻力 的数值模拟［ J］ ． 交通运输工程学报，2011，11 2 45- 51． 上接第 15 页 图 13桁架现场拼装照片 7结论 1 钢结构桁架方案对于大跨度、 高空间的建 筑形态功能是一个合理的解决方案。 2 钢桁架的杆件设置需要对桁架的受力特 点、 建筑功能要求综合考虑， 通过多方案比较， 以达 到结构受力最合理、 土建造价最经济。 3 桁架支座设计必须考虑受力特点， 通过设 计合理的节点， 以达到结构节点的安全、 可靠。 4 施工期间的加载模式对于设计具有重要意 义， 不同的施工加载模式对于结构受力会产生不同 的结果， 相应的节点设计也需采用不同的方法。 参考文献 ［1］ 戴雅萍，袁雪芬，张杜，等． 苏州太湖国际会议中心 大跨度钢桁架结构设计［ J］ ． 建筑结构， 2012，42 1 1- 5． ［2］ 刘昶， 邱剑， 温四清， 等． 贵阳北站 31m 跨钢桁架结构 设计［ J］ ． 建筑结构， 2012， 42 9 6- 9． 75