某屋頂花園重荷載大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計_圖文

1、某屋頂花園重荷載大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計文雙玲張海軍張圣華熊瑛(中冶集團建筑研究總院北京100088(九源建筑設(shè)計有限公司北京100031摘要某圓形露天屋頂花園直徑42.2m ,作用的荷載為20kN /m 2,經(jīng)綜合考慮比較,決定采用大跨度實腹焊接H 型鋼井字梁承重屋蓋。通過介紹結(jié)構(gòu)方案的比選、支座和拼接節(jié)點構(gòu)造,供設(shè)計人員參考。關(guān)鍵詞井字梁鉸接支座拼接節(jié)點DESIGN OF S TEEL STR UC TURE OF HEA V Y L OA D AND LAR GE S PAN F OR A R OOF GAR DENW en Shuangl ing Zhang H aijun Zhang S h

2、enghua(Cen tral Research Institute of Building and Construction ,M CC Group Beijing 100088Xiong Ying(Jiuyuan Architecture Design Co .,Ltd Beijing 100031ABSTRAC T The desig n of a round roof garden with a diameter of 42.2m and the total loads being about 20kN /m 2is introduced .Af ter comprehensive c

3、omparison ,the cross -grid steel beam structure of large span with welded H section w as used .It is introduced the compariso n o f steel structure proposals ,support and assembling joints structures ,w hich could be a reference for designers .KEY W ORDS cross -g rid beam hinged suppor t assembling

4、joint第一作者:文雙玲女1966年1月出生教授級高級工程師國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師Email :w enslbj2005 收稿日期:2006-06-26某科技中心屋頂花園的屋面為1400m 2的園林式花園,其中部為方形水池,四周種植花草、灌木,布置石桌、石凳,供人們休憩所用。屋面下部空間是用于舉辦國際交流活動的大型會議中心,設(shè)有同聲翻譯室。屋頂花園的主結(jié)構(gòu)跨度為36.0m ,作用的永久荷載標準值達20kN /m 2,屋蓋設(shè)計采用了焊接H 型鋼井字梁結(jié)構(gòu),該工程于2002年建成投入使用,實際效果見圖1所示 。圖1屋頂花園俯視1結(jié)構(gòu)方案1.1建筑要求結(jié)合花園中部為水池的特點,屋面設(shè)計成中部平、四

5、周坡的形式。屋蓋采取結(jié)構(gòu)找坡的方法,屋面板的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計成上表面起坡,在150mm 厚鋼筋混凝土樓板上,鋪設(shè)等厚度的保溫層和防水層。這種做法克服了常規(guī)屋面保溫層找坡構(gòu)造造成荷載較重的現(xiàn)象,可滿足保溫、排水和防水的基本功能,亦可加大屋蓋結(jié)構(gòu)中部高度,提高承載力。在滿足使用高度要求的前提下,屋面板下結(jié)構(gòu)允許凈高為2.2m 。1.2結(jié)構(gòu)方案的比選屋頂花園下部的大空間為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土柱的位置見圖2所示。屋蓋平面為近似圓形的多邊形,適合空間結(jié)構(gòu)體系的布置。由于該結(jié)構(gòu)跨度大、屋面荷載重,導致地震作用較大,另外還需滿足建筑功能和對凈空的要求,因此, 本工圖2鋼結(jié)構(gòu)平面布置工程設(shè)計程分析比較了

6、目前常見的兩種空間結(jié)構(gòu)方案。1實腹井字梁方案實腹井字梁方案常用于大空間的混凝土結(jié)構(gòu)中,但鋼結(jié)構(gòu)井字梁用于大跨度屋蓋尚不多見。國內(nèi)首次采用大跨度重型鋼結(jié)構(gòu)井字梁方案的是北京西苑B段大廳屋頂花園,結(jié)構(gòu)跨度為28m×28m,鋼梁間距為4m,鋼梁截面為H1800×450×20×30。本工程初步選用36.0m跨雙向正交的實腹焊接H 型鋼井字梁結(jié)構(gòu)方案。通過計算分析:當采用Q345鋼材,鋼梁高度為2.2m時,鋼梁的強度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求,但結(jié)構(gòu)跨中撓度較大,因此可以結(jié)合施工中大跨度鋼梁采用預起拱措施并在鋼梁上翼緣布置栓釘抗剪鍵,從而使鋼梁與混凝土屋面板共同作用形

7、成組合梁來達到增強結(jié)構(gòu)承載力、減小結(jié)構(gòu)跨中撓度的目的,滿足了使用要求。2空間網(wǎng)架方案目前,空間網(wǎng)架是比較常用的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式,其用鋼量較低并便于貫穿管道設(shè)備,但當跨度較大時占用空間也較大。計算表明,選用焊接球網(wǎng)架方案時,網(wǎng)架上下弦中心高度需3.0m,支座焊接球直徑達到0.8m。網(wǎng)架上弦的屋面板支承梁為H300×300×10×16,另外考慮支座構(gòu)造、屋面板支承梁與網(wǎng)架連接構(gòu)造等需要的空間,混凝土樓板下鋼結(jié)構(gòu)所占空間高度達4.7m,遠超出建筑允許凈空的要求。3兩種方案的比較結(jié)果通過以上對實腹井字梁和平板網(wǎng)架兩種方案的分析(表1,實腹井字梁方案雖用鋼量稍大,但考慮到

8、變截面實腹井字梁(截面見圖3方案能夠滿足建筑空間的要求,且施工簡單快捷,質(zhì)量容易控制等優(yōu)點,本工程選擇了變截面實腹井字梁方案作為最終實施方案。表1兩種結(jié)構(gòu)方案的比較結(jié)構(gòu)方案鋼材品牌主承重結(jié)構(gòu)高度/mm最大桿件截面結(jié)構(gòu)最大高度/m m(包括屋面板下的支承梁樓板支承梁豎向變形/mm鋼材用量/(kg·m-2結(jié)構(gòu)空間利用建筑要求施工進度實腹井字梁主梁:Q345-B連梁:Q235-B2400H2400×500×18×302400無133200可預留小洞,不便直接利用可以滿足2.4m的高度要求現(xiàn)場安裝進度快平板網(wǎng)架網(wǎng)架桿件:Q345-B屋面支承梁:Q235-B300

9、0(網(wǎng)架上下弦中心距桿件325×16,球800×604650H300×300×10×16135192桿件之間的空隙可穿管道不能滿足2.4m的高度要求現(xiàn)場安裝進度慢2井字梁屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算屋頂花園支承在不等邊的八邊形鋼筋混凝土框架上,頂部800mm高混凝土環(huán)梁支承在12個鋼筋混凝土柱上,柱的平面位置見圖2所示。2.1設(shè)計荷載綜合考慮屋頂花園的功能要求并結(jié)合園林設(shè)計方案,按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GBJ9-87和建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GBJ11-89進行荷載選取和效應組合(本工程于2000年設(shè)計。屋面的荷載標準值為:1永久荷載標準值:20kN/m2,包括

10、混凝土樓板自重、屋面覆土、卵石、中央水池重、樓板建筑做法、空調(diào)水暖管道和結(jié)構(gòu)自重等;2活荷載標準值:2.0kN/m2;3雪載:0.5kN/m2。本工程考慮4種荷載組合:11.2恒載+1.4活載;21.2恒載+1.4半跨屋面活載;31.2恒載+ 1.3豎向地震荷載;41.33恒載+0.65雪載。2.2結(jié)構(gòu)布置屋頂花園的鋼結(jié)構(gòu)平面布置如圖2。結(jié)構(gòu)最大跨度為36.0m,梁間距有4.5m和4.9m兩種。鋼梁在屋面中部19.2m×19.2m正方形區(qū)域內(nèi)(圖2中陰影范圍為等截面,考慮結(jié)構(gòu)找坡措施,屋面梁中部高度為2.4m,支座處高度2.2m,滿足建筑凈空2.2m要求,梁成為變截面構(gòu)件(圖3,其余

11、鋼梁為等截面 。圖3鋼梁立面2.3結(jié)構(gòu)計算計算模型的假定:1鋼梁支座為理想鉸接,繞鋼梁截面主軸轉(zhuǎn)動,文雙玲,等:某屋頂花園重荷載大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計平面外無側(cè)移;2屋蓋井字梁主要受力鋼梁均為雙向連續(xù)梁;外側(cè)兩圈環(huán)梁(LL 與主要受力鋼梁的連接為鉸接。計算采用SAP93有限元程序。在建立空間計算模型后,按Q345-B 級鋼,根據(jù)設(shè)計荷載的不同組合計算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。根據(jù)結(jié)果分析,豎向地震組合(1.2恒載+1.3豎向地震荷載起控制作用。這表明對重載屋蓋結(jié)構(gòu),應慎重考慮豎向地震作用的工況組合(因為此時RE 取值為1.0。經(jīng)過反復計算優(yōu)化,最大鋼梁截面最終取H (22002400×500&#

12、215;18×30(圖3。在永久荷載作用下,鋼梁最大撓度為118.4mm ;在永久荷載效應控制的基本組合作用下,鋼梁最大撓度為130.1mm 。考慮到園林方案中,中心部位是一個6.4m ×6.4m ,深600mm 的方形水池,實際荷載不會達到計算取值,梁最大豎向變形達不到計算值,設(shè)計起拱值可小于永久荷載產(chǎn)生的撓度值,最終選用起拱值為100mm 。2.4節(jié)點計算與構(gòu)造1支座節(jié)點支座節(jié)點是工程實際受力情況盡量符合計算模型的重要保證。由于每根鋼梁在混凝土結(jié)構(gòu)上的支點為單向鉸接,繞鋼梁截面主軸轉(zhuǎn)動,平面外沒有側(cè)移。選用60mm 厚的單面弧形支座,設(shè)置4個M 36錨栓,錨栓上部增設(shè)壓

13、力彈簧,以使支座可有微量轉(zhuǎn)動和微量線位移,從而保證大跨度鋼梁由于撓度和溫度應力影響的支座受力性能,其節(jié)點構(gòu)造見圖4 。1-4M 36;2-混凝土梁;3-弧形支座;4-t =20mm ;5-t =18mm 圖4鋼梁與混凝土的鉸接支座連接(A 節(jié)點2實腹H 型鋼井字梁連接節(jié)點為保證雙向H 型鋼井字梁結(jié)構(gòu)方案中梁-梁剛性連接,設(shè)計中將拼裝節(jié)點設(shè)置在遠離交叉點(距軸線交點1500mm 或750mm 的位置,使拼接處成為等強度連接節(jié)點。節(jié)點采用栓焊結(jié)合的構(gòu)造做法,即翼緣焊接、腹板螺栓連接方式,見圖5所示。其特點是腹板采用高強度螺栓連接,既利于施工,又能保證安裝精度;翼緣采用全熔透焊縫,焊縫質(zhì)量等級為二級

14、,以確保上、下翼緣板的連續(xù)性。梁腹板拼接構(gòu)造采用雙連接板形式,根據(jù)精確計算,高強螺栓還需要抵抗部分彎矩,最后確定的梁腹板最大拼裝螺栓為120副10.9級M 24高強度螺栓 。1-H2400×500×18×30;2-t =12mm ;3-60M 24圖5焊接H 型鋼梁的拼裝節(jié)點(B 節(jié)點3結(jié)語按照施工圖紙,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)過加工廠精心制作,在現(xiàn)場安裝高強度螺栓的過程中,均未出現(xiàn)擴孔現(xiàn)象,約280t 鋼結(jié)構(gòu)的安裝時間為20d ,施工快捷,工程質(zhì)量一次通過優(yōu)良標準的驗收。該工程建成投入使用至今狀況良好。門、窗、幕墻窗用五金附件(04J631本圖集針對于一般工業(yè)與民用建筑的門、窗、幕墻窗用的五金