某文化中心钢结构设计探讨

胡伟政

【摘要】山东昌乐文化中心为文化综合性建筑，包括博物馆、文化馆、电影院、图书馆、剧场等，分为东西两个相对独立混凝土结构单体，建筑外表设置两个倒三角形钢结构椎体使整个建筑融为一体。本文分析了钢结构椎体的结构受力体系和特点，提出了针对结构温度作用、结构差异沉降、等设计方法及加强措施，并提出了结构简化设计的方法。

【关键词】倒三角形椎体结构；温度分析；差异沉降分析；结构简化设计

1、项目概况

山东昌乐文化中心，位于昌乐县城区南端。北临昌盛街，南至流泉街以南约500米范围，东西分别与文化东路、文化西路相邻。总建筑面积为41573㎡，其中地上部分29525㎡，地下部分12048㎡。地上四层，地下一、二层。建筑高度为23.4m。整个建筑分为东西两个相对独立混凝土结构单体，建筑外表设置两个倒三角形钢结构椎体使整个建筑融为一体。

其中东栋为博物馆、文化馆、电影院、图书馆，地上四层，地下一层，建筑高度23.10米。西栋为剧场，地上二层，地下四层，建筑高度19.70米，舞台局部23.40米。钢结构椎体东西长184.5米，南北宽80米。高度为23.5米。

2、结构设计概况

2. 1荷载作用

（1）恒荷載：钢结构自重：根据杆件截面确定，程序自动计算，安全系数1.1；玻璃幕墙自重：取1.5KN/㎡；悬挂荷载：根据设备专业提供的设备重量及分布位置及马道的平面布置输入。

（2）活荷载标准值：不上人屋面：0.5 kN/㎡；基本雪压：0.35 kN/㎡。

（3）风荷载

地面粗糙度类别为B类。按荷载规范取值，钢结构计算基本风压按50年重现期取值0.40kN/㎡；风压高度系数（钢结构最高处离地面23米）；风振系数；风载体型系数按《荷载规范》表8.3.1第26项取值，见下图1。

图1

（4）地震作用：

地震作用重现期50年，特征周期为0.40s，抗震设防烈度7（0.15g）度，设计地震分组为第二组，Ⅱ类场。地震影响系数最大值：（小震）、0.34（中震）、0.72（大震）；小震水平峰值加速度55gal，大震水平峰值加速度310gal。三向地震作用效应组合系数水平主向：水平次向：竖向=1：0.85：0.65。多遇地震下阻尼比0.04。考虑5%单向偶然偏心。

（5）温度作用：

本工程所在地区月平均最高气温Tmax=+36°，月平均最低Tmin=-12°，结构合拢温度取To=+12°。所以结构计算的温度工况为：降温：-24° ；升温：+24°。

2.2 基础及地下室部分

东栋楼为地下两层，基础埋深16.50m，基础置于5层全风化玄武岩上，地基承载力特征值为300KPa，基础采用筏板+抗浮锚杆形式。

西栋楼为地下一层，基础埋深7m，基础置于3层粉土上，地基承载力特征值为210KPa，基础采用筏板+抗浮锚杆形式。

钢结构椎体分别落在东西两栋建筑的地下室顶板面，由于东西两栋建筑功能，地下室层数不同，持力层不同，所以两边沉降差按100mm考虑。

2. 3钢结构椎体结构受力体系

上部钢结构的形体为南北两个倒三角形椎体，东西方向最大宽度184.5米，南北向最大宽度为26米。椎体高度为18米，采用空间三角形管桁架结构，由于单个椎体重心都向外偏心，倾覆力矩过大，所以中间用桁架连接在一起，增加结构的整体刚度。

支座：中间部分采用四边形管桁架格构柱与上部上三角形管桁架刚接连接，提供整个钢结构的侧向刚度。.其余支座采用四角锥分叉钢管柱，落在地下室钢骨混凝土柱上。提供竖向承载力。左右两端搁置在混凝土主体结构，支座为长度方向单项滑动的盆式橡胶支座。模型详见如图2、3、4。

图2 钢结构轴测图

图3 钢结构正立面图

图4 钢结构侧立面图

4、钢结构椎体计算分析

4.1 模态分析

模态的周期和频率

阶数

周期

X方向平动因子

Y方向平动因子

Z方向平动因子

1

0.86

38.5

56.8

0.1

2

0.756

0.1

0.4

99

3

0.747

65.5

30.2

0.2

4

0.63

0

0

65

5

0.57

8.5

0.5

0.1

6

0.49

6

2.9

38.2

钢结构第一阶振型为Y向水平振动，周期0.86S，第二阶振型为扭转，周期 0.756S，第三阶振型为X向水平振动，周期747S。第一周期为平动周期，结构刚度布置比较合理。

4.2基底剪力

阻尼比0.04，结构重力荷载代表值36460KN

荷载工况

FX

FY

FZ

基底剪力（%）

KN

KN

KN

X向

Y向

X向地震

1676

1386

20

0.046

0.038

Y向地震

1386

1371

18

0.038

0.038

45度方向地震

1766

1195

25

0.048

0.033

满足最小基底剪力的要求。

4.3考虑差异沉降对钢结构的影响

由于本工程东西两个单体为独立地下室，由于两栋单体建筑功能，层数不同，导致两边沉降量有所差别，所以钢结构玻璃体设计时需考虑两边差异沉降的影响。本文设计时考虑了东西两侧100mm，50mm两种差异沉降的影响，找出受沉降影响较大的杆件，需要一定的安全储备。位置详见附图5。

图5

4.4钢结构应力比

钢结构应力比大部分都在0.60一下，最大为0.90，满足应力要求。

4.5温度作用分析

主要抗侧力体系，由于结构超长，温度产生的内力不可忽视，原设计思路是把椎体放在两个东西两栋结构上，一端固定，另一端采用滑动支座，由于温度作用产生的膨胀收缩位移量超出现有的盆式橡胶支座的位移量，此方法不可行。最后采用中部固定，两侧能允许位移，这样能大大减少温度作用产生的位移量，结构得以实现。

4.6節点有限元分析

采用ANSYS有限元分析软件，单元，选取两个主要节点进行分析，有限元分析结果见图，可以看到在最大设计荷载下，节点区应力除个别点因应力集中稍高外，大部分区域应力都很小，节点基本保持弹性，可以保证结构的正常安全工作。

格构柱肢节点 四角锥分叉钢管柱节点

结论

1）文化中心长度比较大，为了合理的解决温度应力，抗侧力构件集中在模型的中部，使得整体结构温度作用力减半。

2）结构外形及其不规则，而且偏心严重，各个桁架所分摊力的大小很难预估出来，从而桁架的初始尺寸需通过反复试算才能得出结果，而本结构单元数梁很大（1万多个单元），从而严重影响效率。本文在试算时使用实腹构件代替空间桁架，确定每个桁架大概所需的刚度和受力关键点，再根据刚度等代的原则确定桁架的尺寸和加强局部节点位置，从而大大节约了试算的时间。

3）本文提出了针对结构温度作用、结构差异沉降、等设计方法及加强措施。