深圳市地鐵大廈屋頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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深圳市地鐵大廈屋頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉文清 劉相仁

(中建國(guó)際（深圳）設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，深圳518033)

提  要 深圳市地鐵大廈為一超高層建筑物，在其屋頂部設(shè)有大小跨度的兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)，其中大跨鋼結(jié)構(gòu)為主塔樓的屋蓋，其跨度及高度均較大且自重大。本文主要對(duì)大跨鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞 超高層建筑，鋼結(jié)構(gòu)，桁架，彈性支座，相貫線節(jié)點(diǎn)

1．概況

深圳市地鐵大廈位于深圳市新中心區(qū)福中路與金田路口，北面是蓮花山花園，東面是高層住宅區(qū)，西面是青少年宮，南面是規(guī)劃高層辦公建筑。本建筑物地下四層，地上三十六層，總高151.5米，是一超高層辦公建筑。其位于七度抗震設(shè)防區(qū)。采用框架（稀柱）核心筒結(jié)構(gòu)體系。主樓平面尺寸為28.7m x 58.8m。按建筑立面及功能要求，自標(biāo)高127.45及132.25米起，分別設(shè)計(jì)了大小跨度的兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)。大跨鋼結(jié)構(gòu)跨度20.8米，高24米；小跨鋼結(jié)構(gòu)跨度4.25米，高度19米，均為單跨，柱距4.2米。按建筑立面要求，這兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)要完全脫開，其間不得有任何桿件連接，使立面更有雕塑感（見(jiàn)圖一）；同時(shí)對(duì)梁柱的形式也有美觀上的要求，即只能做成單向圓管式桁架；按建筑功能要求，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的屋面為避難層，為方便外墻清潔，屋面設(shè)有擦窗機(jī)，并布置了擦窗機(jī)的軌道，豎向荷載較大。

2．抗側(cè)力結(jié)構(gòu)方案確定

上述要求（見(jiàn)概況），增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。深圳的風(fēng)荷載較大，100年一遇的風(fēng)壓

劉文清，女，1966出生，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

標(biāo)準(zhǔn)值為0.9kN/m2。為解決在如此高度處大跨度鋼結(jié)構(gòu)承受的水平力的傳遞問(wèn)題，自標(biāo)高132.25米起對(duì)稱地將主樓內(nèi)部的8.9m x 9.2m的核心筒剪力墻上升至大跨鋼結(jié)構(gòu)屋頂（見(jiàn)圖二），同時(shí)使大跨鋼結(jié)構(gòu)桿件與核心筒剪力墻可靠連接，以利用核心筒做抗側(cè)力結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞水平力。鋼結(jié)構(gòu)柱腳若為剛接，則要求其下的鋼筋砼轉(zhuǎn)換梁或框架柱的剛度足夠大，以承擔(dān)其傳來(lái)的較大內(nèi)力。經(jīng)計(jì)算分析，我們認(rèn)為此種做法不經(jīng)濟(jì)，也不甚合理。故柱腳按鉸接處理，這樣就要求鋼結(jié)構(gòu)屋面的剛度足夠大，實(shí)際屋面做成150mm厚鋼筋砼組合樓板，鍍鋅壓型鋼板1.0mm厚，并與核心筒可靠連接，以保證能將水平力有效地傳遞至核心筒。（結(jié)構(gòu)平面布置圖及剖面圖見(jiàn)圖三、圖四）

3．鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的二個(gè)核心筒直接升至屋面，來(lái)承受鋼結(jié)構(gòu)部分傳來(lái)的全部水平力。核心筒及鋼結(jié)構(gòu)桿件的平面布置見(jiàn)圖二。從圖中可以看出，鋼結(jié)構(gòu)共有14榀。因核心筒的剛度很大，為使計(jì)算模型更為接近實(shí)際情況，將核心筒剛度簡(jiǎn)化為單榀鋼架上的彈性支座作用在鋼結(jié)構(gòu)屋架的上弦桿上，每榀設(shè)5個(gè)彈性支座。計(jì)算過(guò)程如下所述。

3.1作用在大跨鋼結(jié)構(gòu)上的荷載

屋面恒荷載： 7.0kN/m2

局部屋面采光窗恒荷載： 2.0kN/m2

上人屋面活荷載： 4.0kN/m2

屋面擦窗機(jī)： 70kN/臺(tái)

墻面玻璃幕墻恒荷載： 2.0kN/m2

此標(biāo)高上的風(fēng)壓值： 4.0 kN/m2

地在粗糙類別：C類

地震設(shè)防烈度：7度 地震分組：I 組

3.2鋼屋架上弦桿彈性支座剛度的計(jì)算

核心筒的長(zhǎng)邊為9200mm，寬邊為8900mm，平均壁厚為500mm。

其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：

兩座核心筒的截面慣性矩為：

Icon = mm4

混凝土核心筒分配到每榀鋼架上的慣性矩：

I each = 

核心筒采用C40標(biāo)號(hào)混凝土，其彈性模量Econ = 3.25 x 104 N/mm2。

根據(jù)撓度公式，可以推導(dǎo)出單榀鋼架上彈性剛度：

K= N/mm

分配到桁架上弦5個(gè)彈性支座，作用在單個(gè)彈性支座上的剛度：

 N/mm，取Keach為50000N/mm。

3.3鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.4計(jì)算結(jié)果

整體計(jì)算，我們采用中國(guó)建筑研究院的PKPM系列中的SATWE程序計(jì)算風(fēng)及地震作用；鋼結(jié)構(gòu)部分計(jì)算主要采用同濟(jì)大學(xué)的3D3S程序，同時(shí)采用SAP2000進(jìn)行校核。所有鋼材質(zhì)為Q345B。計(jì)算結(jié)果如下：大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架梁上下弦采用Φ299x14鋼管，上下弦桿中心線間距2.1米，其最大應(yīng)力比為0.42；桁架梁腹桿采用Φ203x14鋼管，其最大應(yīng)力比為0.24；大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架柱弦桿采用Φ299x14鋼管，兩弦桿中心線間距1.5米，其最大應(yīng)力比為0.54；桁架柱腹桿采用Φ152x12鋼管，其最大應(yīng)力比為0.33；H型鋼柱采用H900x450x16x36，其最大應(yīng)力比為0.21，其最大長(zhǎng)細(xì)比為95.3。弦桿最大應(yīng)力比小于0.65，其余桿件最大應(yīng)力比小于0.70。大跨度鋼結(jié)構(gòu)最大水平位移為10.2mm，最大豎向位移為13.7mm。兩鉸支座水平剪力和為138.0kN。位移及水平剪力比無(wú)核心筒大跨度鋼結(jié)構(gòu)小很多。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他文獻(xiàn)要求，所有圓鋼管徑厚比D/t ≤ 100 x 235 / 345 = 68，[1]支管管徑與主管管徑之比均大于0.3，支管管壁厚度與主管管壁厚度之比均大于0.2。

4．構(gòu)造措施

4.1 為保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，各榀屋面桁架梁間每隔4.4米設(shè)置一道垂直支撐；在屋面采光窗處的桁架梁上弦處設(shè)置水平支撐；鋼管柱間沿豎向每隔4.8米設(shè)置縱向水平支撐；縱向端開間鋼管柱間各設(shè)置一道垂直支撐；山墻采用抗風(fēng)桁架柱；屋面采用150mm厚鋼筋混凝土組合樓板。

4.2 柱腳預(yù)埋件按抗震要求進(jìn)行配置：錨筋在梁或柱中錨固長(zhǎng)度取錨筋直徑的30倍，錨板的厚度取36mm，大于錨筋直徑的1.3倍，錨板與其上鋼柱的連接采用全熔透焊縫。錨筋截面面積大于柱下端截面積的20％。[2]

4.3 為保證屋面鋼桁架與鋼筋砼組合樓板的良好連接，在上弦鋼管的兩側(cè)加焊兩條L80x10通長(zhǎng)角鋼，角鋼上熔焊Φ22抗剪栓釘，間距為230mm。為保證混凝土核心筒鋼筋混凝土屋面板同組合樓板連接可靠，要求其板內(nèi)鋼筋伸入組合樓板內(nèi)。

4.4 屋面鋼桁架梁弦腹桿有條件的直接伸入混凝土核心筒墻內(nèi)，弦桿的上下表面熔焊Φ22抗剪栓釘，間距為180mm，以保證與砼有效地結(jié)合成一體。

4.5 為減小H型鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比，將部分H型鋼柱通過(guò)圓鋼管與鄰近的剪力墻連接做側(cè)向支撐。為保證H型鋼柱的側(cè)向穩(wěn)定，每隔4.8米高在鋼柱間設(shè)置H型鋼梁，同時(shí)梁柱間采用剛性連接。

4.6 鋼桁架梁、柱大部分桿件為圓鋼管，為使得結(jié)構(gòu)美觀大方、安全可靠，鋼管間要求采用相貫線焊接，且焊縫要求全熔透。

5．結(jié)論

對(duì)于設(shè)置在超高層屋頂上跨度、高度及自重都較大的單跨鋼結(jié)構(gòu)，只要選擇好較好的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，同時(shí)采取足夠有效的措施保證鋼結(jié)構(gòu)的水平力能傳遞到抗側(cè)力結(jié)構(gòu)上，可以實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)立面的美觀要求及保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003

[2] 蔡益燕，日本大力加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)柱腳的抗震性能，鋼結(jié)構(gòu)，2003