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学问馆楼屋面板采用现浇钢筋桁架澳门新葡萄京27111com

发布时间:2020/03/12 点击量:
镇江新区学问馆(图1)位于江苏省镇江市新区,总建筑面积16801㎡,其中地上建筑面积10872㎡,地下建筑面积5929㎡。主楼地上两层,局部设有夹层,地下室1层。檐口标高23.85m,地上1,2层层高分别为15.0,8.85m,局部夹层建筑标高分别为6.000(7.500),10.000,19.790m,地下室层高6m。建筑功能为学问馆、剧场、化妆间、设备用房等。项目内剧场观众厅600座,属于小型圆形剧场。建筑造型外观形似一朵绽放的玫瑰,主楼平面尺寸约81.8m×92.5m,地上结构采用钢框架结构,框架柱采用圆钢管,环向布置,最外环柱距约11m。屋顶采用平面交叉桁架,桁架跨度45m,局部跨度60m。地下室采用型钢混凝土结构,楼屋面板采用现浇钢筋桁架澳门新葡萄京27111com。屋面观景平台和挑檐悬挑长度约2~3m,环绕主楼环形设两条悬挑坡道,坡道宽度约2~4m,坡道板由钢柱外挑钢梁铺设花纹钢板组成。本工程首层平面图、剖面图见图2,3。(编辑:冯川川,季建平,卢辉,王铁英)
 
镇江新区学问馆效果图
图1 镇江新区学问馆效果图

镇江新区学问馆首层平面图
图2 镇江新区学问馆首层平面图

镇江新区学问馆剖面图
图3 镇江新区学问馆剖面图
 
本工程设计使用年限50年,结构安全等级二级。抗震设防类别为标准设防类,设计地震分组第一组,场地类别为Ⅲ类,抗震设防烈度7度,设计基本地震加速度值0.10g。本工程存在由于建筑功能需要楼板大开洞、局部设夹层的实际情况,结构存在扭转不规则、楼板不连续、刚度突变及穿层柱等多项不规则,判定为特别不规则多层建筑。
 
镇江新区学问馆地上两层,地下一层,属于大跨度圆形剧场。地上结构采用钢框架结构,屋顶采用平面交叉桁架,地下室采用型钢混凝土结构,楼屋面板采用钢筋桁架澳门新葡萄京27111com。由于本工程建筑功能需要楼板大开洞,局部设夹层,结构存在扭转不规则、楼板不连续、刚度突变及穿层柱等多项不规则,为特别不规则多层建筑。根据计算分析结果和概念设计方法,对关键、重要构件和薄弱部位做了适当的加强和性能设计,保证结构在地震作用下的延性以及其他各种作用效应下的可靠性。并采用YJK和MIDAS GenApp进行小震下应力比包络结果设计,保证结构的安全性。对地上钢结构的次梁进行了优化,对其按组合楼盖设计,适当降低了次梁的用钢量,满足了业主对建设成本的控制要求。
 
一、结构设计方案
 
1、整体结构体系
 
结构设计方案确定为地上采用钢框架结构,钢材为Q345B,竖向构件采用圆钢管柱,钢框柱主要截面为φ800×30~φ1000×40,水平构件采用H型钢梁和箱形截面梁,钢框梁主要截面为H550×200×10×16~H700×300×13×24,□600×250×14~□900×400×24。大跨屋顶采用平面交叉桁架,并设三道环向次桁架和中心环梁,桁架矢高3m,桁架上、下弦杆采用箱形截面□600×40×20~□700×400×24,斜杆采用无缝钢管,其截面为φ203×8~φ402×22。结构存在楼板开大洞、局部设夹层、大悬挑和屋顶大跨度等特点,见图4~6。
 
结构计算主模型轴测图
图4 结构计算主模型轴测图

结构剖面图
图5 结构剖面图

单榀桁架示意图
图6 单榀桁架示意图
 
地下室采用型钢混凝土混合结构,由于首层地面需要安装升降舞台装置,钢筋混凝土楼板需要预留洞口,故嵌固端在基础顶,基础采用柱下多桩承台,型钢混凝土柱下插至承台,地下室顶板采用混凝土梁板结构,具体构造详见图7。
 
地下室型钢混凝土混合结构构造示意图
图7 地下室型钢混凝土混合结构构造示意图
 
2、特殊荷载考虑
 
本工程由于剧场建筑功能需要,舞台及观众席需要挑空,屋顶跨度约45~60m,屋顶需要下挂灯杆、幕布吊杆、检修马道等装置,舞台的机械装置由专业厂家深化设计,并提供设计预留条件给设计院,对结构专业的要求就是根据特殊荷载以及吊挂设置栅顶层,屋顶吊挂采用栅顶层焊接到桁架节点上,所有机械装置均与栅顶层连接,不得与主体钢桁架直接连接,以保证加工阶段和使用阶段屋面桁架的安全性。经与深化设计专业厂家以及业主协商,确定结构整体计算时将屋面桁架下挂荷载按均布活荷载简化考虑,均布活荷载:舞台上空为8kN/㎡,观众席上空为4kN/㎡。
 
3、幕墙对主体结构的影响
 
外观造型方面,建筑外立面采用了大量幕墙,主要分为外墙幕墙系统和外围上悬穿孔铝板幕墙,上悬幕墙悬挑高度局部高达9m,幕墙系统由具有幕墙设计资质的专业厂家专项设计,并提供幕墙龙骨支座设计及荷载供设计院整体计算,幕墙对主体结构的影响简化考虑为幕墙龙骨支座反力,以节点荷载形式输入到整体模型。整体计算结果满足要求。
 
2.4加强环节点分析及大样
 
因屋盖桁架为以圆心为中心的放射向布置,若平面桁架均于圆心交叉,则节点设计过于复杂。本工程设计依据建筑平面特点,选择正X向与正Y向十字桁架贯通,其余径向桁架与中心加强环梁刚接,加强环直径6m,上、下环梁截面为□700×500×50,经计算桁架与加强环梁连接处应力及变形均满足要求,其中屋盖桁架加强环应力见图8。
 
屋盖桁架加强环大样及应力云图
图8 屋盖桁架加强环大样及应力云图/(N/m㎡)


钢结构应力比云图
图9 钢结构应力比云图


桁架杆件应力比云图
图10 桁架杆件应力比云图
 
二、结构整体计算
 
1、小震弹性反应谱法计算
 
根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016年版)(简称《抗规》)及地勘报告,本工程所在地抗震设防烈度7度,设计基本地震加速度值0.10g,水平地震影响系数最大值为0.08;由于《抗规》和《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)对设防要求的划分不一致,根据镇江新区抗震办公室组织召开的抗震设计专项论证会意见,本工程场地地震动峰值加速度调整系数取1.25,即水平地震影响系数最大值为0.10。
 
整体计算模型采用YJK与MIDASGen两种App进行小震反应谱分析,结构计算结果见表1。由表可知,结构小震弹性计算结果均满足规范要求。
 
结构整体分析主要计算结果
结构整体分析主要计算结果 表1
 
地上钢结构材料强度等级采用Q345B,本工程采用YJK和MIDASGen进行小震下应力比及柱长细比的计算。经过对比包络计算结果,钢构件承载力及构造均满足要求。本工程整体计算钢结构应力比:MIDASGen计算结果略大于YJK计算结果,图9为MIDASGen计算的钢结构应力比结果,结果表明,钢框柱和钢框梁的最大应力比出现在穿层柱位置,应力比均小于0.85,屋顶桁架最大应力比出现在支座附近,应力比均小于0.90,次梁应力比均小于1.0。
 
考虑屋面为大跨桁架,又是结构重要构件,应严格控制屋面钢构件的应力比及变形。计算结果显示,桁架杆件应力比控制在0.85以内,见图10;在标准荷载组合作用下桁架向下的最大位移36mm,实际挠跨比1/1250,满足规范限值1/400的要求。
 
2、小震弹性时程分析补充计算
 
由于本项目的特殊性,镇江新区抗震办公室组织召开了抗震设计专项论证会,根据会议结论《镇江新区学问馆设计抗震专项审查意见》,本项目为特别不规则结构,应采用时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。
 
应用YJK计算App,按照《抗规》第5.1.2条第3款,选用三组时程曲线,其中天然波两组,分别为
Livermore-02_NO_217,Tg(0.45)和Chi-Chi,Taiwan-05_NO_2966,Tg(0.49);人工波一组,为ArtWave-RH1TG045,Tg(0.45)。地震影响系数最大值0.1,主方向峰值加速度45cm/s2,次方向峰值加速度29.75cm/s2,时程分析时间长度35s,时程分析时间步长0.02s。
 
根据《抗规》要求取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值,并依据两种计算方法的比值,在整体计算时各层乘以放大系数,详见表2。
 
多条波时程包络值与CQC法计算结果比较
多条波时程包络值与CQC法计算结果比较 表2
 
注:本工程嵌固端位于地下室顶板,地下室为1层,不考虑结果对比;2~7层对应结构模型中地上各标准层和夹层,其中2层顶标高为6.000m(7.500m),3层顶标高为10.000m,4层顶标高为15.000m,5层顶标高为19.790m,6层顶标高为23.850m,7层为局部出屋面。
 
3、风荷载下计算
 
由于本项目的外围护幕墙结构比较多,风荷载下的计算分为幕墙结构专项设计和结构整体计算。前述幕墙维护结构由具有幕墙设计资质的专业厂家专项设计,并提供幕墙龙骨支座设计及荷载供设计院整体计算,与钢结构主体连接位置反力由幕墙厂家提供,结构整体计算已按所提条件考虑为节点活荷载。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)(简称《荷载规范》),考虑钢结构对风荷载比较敏感,计算风压取1.1w0,基本风压w0采用《荷载规范》中50年重现期基本风压。因本工程为多层建筑,建筑高度较低,风荷载作用下变形较小。整体计算风荷载作用下的楼层位移见表3,可见,风荷载作用下的位移计算均满足要求,最大层间位移角1/2610远小于《抗规》限值1/250。
 
4、温度作用下计算
 
经查《荷载规范》,江苏镇江年基本气温在-6~36℃,整体计算温度作用按±20℃考虑。经计算,在降温20℃和升温20℃单工况时受力如下:屋顶大跨桁架上、下弦杆最大轴力为406kN(约相当于恒载单工况作用下最大轴力的30%);屋顶大跨桁架中间加强环梁最大轴力为844kN(约相当于恒载单工况作用下最大轴力的25%),在对应荷载组合工况下整体计算满足承载力要求。
 
风荷载作用下的楼层位移
风荷载作用下的楼层位移 表3
 
5、中震弹性计算
 
本工程由于舞台上空和观众席上空的建筑功能要求,存在很多穿层柱,考虑屋面为大跨度桁架,对结构模型进行了中震弹性计算。对结构重要构件取中震弹性计算结果,控制框架柱应力比小于0.85,桁架弦杆和斜杆应力比小于0.9。经过调整截面验算后,钢框架柱最大应力比0.81,桁架弦杆最大应力比0.86,斜杆最大应力比0.83,较多钢梁出现屈服应力比大于1.0的情况。
 
6、钢结构性能化设计
 
根据《钢结构设计标准》(GB50017—2017)(简称《钢规》)第17章相关规定,钢结构构件的抗震性能化设计应根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性,结构构件在整个结构中的作用、使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等,经综合分析比较选定其抗震性能目标。
 
依据《钢规》表17.1.4-1和表17.1.4-2,设防烈度7度(0.10g),钢结构房屋高度H≤50m,钢结构塑性耗能区承载性能等级选用性能5~7。本工程性能等级取5;设防类别为标准设防类(丙类),结构构件最低延性等级为Ⅲ级。
 
三、大震弹塑性计算
 
考虑到本工程的建筑功能和结构不规则的特殊性,为满足《抗规》中提到的以结构安全性为主的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准目标,补充结构在罕遇地震作用下的弹塑性计算。
 
利用YJK静力弹塑性分析方法进行计算,结果表明,各层弹塑性层间位移角最大值为1/55,满足《抗规》表5.5.5对结构薄弱层(部位)弹塑性层间位移角最大值1/50的要求,层间位移角曲线见图11。
 
罕遇地震下的层间位移角曲线
图11 罕遇地震下的层间位移角曲线
 
四、结构超限情况及对应加强措施
 
本工程存在多项不规则,根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及专家论证会的意见,对应结构加强措施如下。
 
1、扭转不规则
 
对于考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2(最大1.35)的情况,所采取的对应措施如下:1)从层间位移比的大小来看,结构X向和Y向层间位移比基本均小于1.20。对于个别节点大于1.20的情况,《抗规》另有说明“当最大层间位移远小于规范限值时,可适当放宽”;2)从层间位移角的大小来看,结构X向和Y向层间位移角均小于1/500,满足《抗规》第5.5.1条对层间位移角的限值1/250要求。
 
2、楼板不连续
 
对于楼板有效宽度小于50%,开洞面积大于30%,错层大于梁高的情况。多采取的对应措施如下:1)指定开洞层为薄弱层;2)加强楼板板厚和配筋,楼板板厚由110mm改到150mm,配筋由φ10@150改为φ12@150双层双向布置;3)加大开洞层框架梁截面;4)按全楼弹性板复核。
 
3、刚度突变
 
对于相邻层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%的情况。所采取的对应措施如下:1)指定开洞层为薄弱层;2)加强薄弱层竖向构件;3)按全楼弹性板复核。
 
4、局部不规则
 
对于存在局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换,或个别楼层扭转位移比略大于1.2等的情况。所采取的对应措施如下:1)穿层柱按重要构件考虑,提高其抗震等级为三级;2)控制穿层柱应力比小于0.6,严格控制柱长细比λ小于82.5(抗震等级按三级);3)穿层柱按中震弹性计算,中震下控制其应力比<0.85。
 
五、组合楼盖设计
 
本工程楼屋面板采用钢筋桁架澳门新葡萄京27111com,板与钢梁之间设抗剪栓钉,栓钉采用穿透焊与钢梁上翼缘固定,钢结构次梁依据《钢规》按钢与混凝土组合梁设计,考虑混凝土翼板刚度的影响,适当降低了次梁的用钢量,满足了业主对建设成本的控制要求。在进行组合梁截面承载能力验算时,混凝土翼板的有效宽度be=b0+b1+b2,其中b0为钢梁上翼缘宽度;b1,b2为钢梁两侧翼板计算宽度;见图12。
 
混凝土翼板的计算宽度
图12 混凝土翼板的计算宽度
 
根据楼屋面次梁实际布置情况,按组合梁验算后,控制钢梁应力比。抗弯设计时,混凝土翼板与钢梁为完全抗剪连接,其截面抗弯承载力按组合梁共同承担,控制钢梁正应力比小于1.0,组合梁截面全部剪力由钢梁腹板承受,控制钢梁剪应力比小于0.95。
 
六、其他设计构造上的考虑
 
除以上所述结构分析内容外,本工程还考虑其他设计构造来保证结构的经济性和合理性,如下:1)由于结构整体存在大跨度屋面桁架以及大悬挑,按反应谱法计算竖向地震作用;2)屋面桁架考虑结构起坡2%,这样可以减轻屋面做法的自重;3)悬挑梁按计算挠度远端起拱;4)环形坡道板采用花纹钢板+角钢加劲肋,减轻自重;5)内环(?轴)支撑屋面桁架的框架柱,计算长度较长的采用中震弹性包络设计,计算长度小的采用小震计算;6)屋面采用平面交叉桁架,并设三道环向次桁架和中心环梁,根据重要性加强次桁架和环梁的承载力;7)构造加强,钢框柱采用混凝土灌芯,避免柱平面外屈曲。
 
结语
 
镇江新区学问馆为圆形钢结构大跨剧场,跨度81.8m×92.5m,超限项目较多,根据计算分析结果和概念设计方法,对关键、重要构件和薄弱部位做了适当的加强和性能化设计,以保证结构在地震作用下的延性以及其他各种作用效应下的可靠性。本工程施工图设计已通过外审单位和当地抗震办公室的审查,主体结构计划于2019年12月封顶,2020年投入使用。
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