大跨度椭圆采光顶钢结构设计

大跨度椭圆采光顶钢结构设计
[摘要]椭圆采光顶平面交叉异形网格梁体系为某商业中心
的钢结构部分，结构根据建筑外形确定自身的构件布置。

文章介绍了在设计中采用SAP2000和3D3S两种结构软件进行建模计算的过程，进行了静力计算、动力特性分析、抗连续倒塌分析及整体稳定分析。

计算结果表明：该结构刚度较大，整体性好，达到设计目标。

[关键词]钢结构；采光顶；静力分析;动力分析
1工程概况
该项目为浙江省龙泉市瓯江文化休闲康养中心幕墙工程的
钢结构部分。

项目主体结构类型为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，采光顶钢结构采用平面交叉异形网格梁体系。

主体结构建筑高度约23.05m；椭圆采光顶为5%坡度的斜坡，投影面积为473m2，最低标高24.2m，最高标高25.14m，见图1。

2结构布置
在众多实际案例中，椭圆采光顶一般采用薄壁空间结构，尤其是双曲抛物面壳结构。

这种结构按照无弯矩理论进行计算，在竖向均布荷载作用下，在结构内部一般只存在顺剪力，不产生法向力。

但是为了能够实现该项目建筑外观的造型，达到屋顶“冰裂纹”的效果，并满足采光顶玻璃单块玻璃面积不超过4m2的要求，采光顶网格采用了不规则多边形平面交替布置，为此将本方案称为平面交叉异形网格梁体系。

该结构存在5%的坡度，导致26个梁柱节点处的钢梁和钢柱产生了不同的扭转角度，施工焊接难度大，为此需进行专门的节点设计。

采光顶自身平均高度为2.64m，椭圆长轴长度为27.5m、短轴长度为19.5m，所有构件均采用热轧方形钢管。

构件布置分为两部分，分别为主要构件和次要构件：其中竖向杆件钢柱作为主要支承和抗侧力构件，采用方管400×400×14作为第一优先级；横向杆件主钢梁采用矩形管500×200×12作为第二优先级；次钢梁采用矩形管250×125×8。

钢材强度为Q355B，总用钢量为65t，交叉构件节点采用全焊接连接方式。

采光顶结构平面布置图见图2。

3整体计算与分析
异形采光顶传力路径复杂，应采用不同软件复核计算。

本工程整体分析分别采用了3D3S和SAP2000两个结构计算软件，主要用于结构的静力计算、动力特性分析、抗连续倒塌分析及整体
稳定分析。

3.1结构建模参数
建模参数见表1。

3.2静力计算
根据《建筑结构荷载规范》[1]（GB50009—2019）以及《建筑结构可靠性设计统一标准》[2]（GB50068—2018）的规范条文，对施加在结构上的5个荷载工况进行相应的荷载组合。

所有结构单元均采用梁单元，梁柱节点和主梁节点为刚性节点，柱脚和次梁节点为铰接，静力计算不考虑材料和几何非线性。

计算荷载取值见表1，包括节点荷载、单元荷载和面荷载，其中面荷载通过虚面导到杆件上以线荷载形式体现。

通过结构计算软件3D3S和SAP2000的分析结果可知，以梁单元建立的两种模型静力计算结果基本一致，杆件的轴力图及变形图见图3、图4。

通过计算可知，采光顶受力分布为从边缘构件往中心构件逐渐减小，杆件的最大应力比为0.5；由于柱脚节点采用了铰接，采光顶在温度作用下支座反力对混凝土环梁影响并不明显。

采光顶模型在
SAP2000中计算时跨中挠度为29.033mm，挠跨比1/671;在3D3S 中计算时跨中挠度为29.764mm,挠跨比1/655；由此可见本工程
网架结构的竖向挠度满足1/400的要求。

此外，施工采光顶需做预起拱，具体起拱高度为恒载标准值+0.5活载的挠度值。

考虑到网架施工时要进行整体吊装，为了验证施工阶段的安全，设计人员对吊装过程进行了分析计算，经计算，结构杆件应力比、变形均能满足规范要求。

3.3动力特性分析
该椭圆异形采光顶结构传力路径复杂，振型组合采用CQC法以考虑振型阻尼引起的邻近振型间的静态耦合效应，并按振型分解反应谱法求解地震力。

同时采用3D3S和SAP2000对采光顶进行整体动力特性计算分析。

根据表2和图5分析得出：椭圆采光顶第1阶振型为整体竖向振动，第2阶振型表现为左右半跨交错竖向振动，第3阶振型则表现为上下半跨交错竖向振动。

结构设置了26个铰支座，并且内部布置若干次梁构件，明显增强了结构的整体抗扭刚度，表现出较好的抗震整体性。

3.4抗连续倒塌分析
该项目中的平板网架相较于普通平面钢结构，有体量大、结构复杂、传力路径不明确、构造加工难度大、建筑造型需求敏感等特点，除需要进行构件强度分析外，尚应对结构整体性的倒塌
等特性进行多方面综合考察。

结合国内外规范对结构抗连续倒塌设计方法的规定,常见的设计方法有：概念设计法、拉结强度设计法、拆除构件法、关键构件设计法。

该结构建筑外观要求较高，设计人员主要采用拆除构件法来控制杆件截面，针对采光顶的重要杆件和重要节点失效进行分析。

文章参考了尚庆鹏[3]等在悬挑钢桁架结构抗连续倒塌设计中根据性能目标和使用要求提出
的应力比水平控制原则。

通过拆除采光顶不同位置的钢梁、钢柱以及将关键刚接节点转化为铰接，来考察剩余结构能否满足承载力计算要求。

当关键杆件或关键节点失效后，传力路径改变，结构内力发生重分布。

采光顶剩余杆件的应力比分布图见图6，剩余杆件应力比最大值为0.64，可以判定结构不会发生连续倒塌。

3.5整体稳定性分析
对于一般的网壳结构，根据《空间网格结构技术规程》[4]（JGJ7—2010）须进行几何非线性分析。

分析时按网壳跨度的
1/300考虑初始缺陷，初始缺陷按照结构的最低阶屈曲模态分布，并按照满跨均布荷载进行，以确保网壳结构的整体稳定满足要求。

采光顶所涉及的钢结构类型并不属于网壳结构，而是更接近于板的平面异形交叉梁体系。

通过3D3S进行完善结构几何非线性整体稳定分析和带缺陷结构大位移几何非线性整体稳定分析，计算数据表明：前者的结构整体稳定系数为83.09，后者的结构
整体稳定系数为81.9，该结构的极限承载力系数都远大于规范规定的4.2，同时也表现为缺陷不敏感型结构。

从结构的屈曲模态可以看出，前20阶屈曲模态均为局部构件失稳，这也证明了该椭圆采光顶具有很强的整体稳定性，不会发生整体失稳。

4结论
龙泉市瓯江文化休闲康养中心幕墙工程的椭圆采光顶采用
冰裂纹建筑造型，通过3D3S和SAP2000两种软件对采光顶进行了静力计算、动力特性分析、抗连续倒塌分析及整体稳定分析，主要得出以下结论：（1）椭圆采光顶结构刚度较大，整体性好，通过调整构件布置和截面尺寸控制结构跨中挠度，达到设计目标，挠度是设计过程中的控制指标。

（2）椭圆采光顶建筑外形要求高，结构传力路径复杂，较大程度上影响了结构的受力性能和经济性指标。

参考文献
[1]建筑结构荷载规范:GB50009—2019[S].北京:中国建筑
工业出版社,2019.
[2]建筑结构可靠性设计统一标准:GB50068—2018[S].北京:
中国建筑工业出版社,2018.
[3]尚庆鹏,陈明辉,王仙蔚,蔡丽,王春岩.国家技术转移郑州中心悬挑钢桁架结构抗连续倒塌设计[J].建筑结
构,2018,48(12):70-74.
[4]空间网格结构技术规程:JGJ7—2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2010．
作者:徐栋陈翔翔刘勇单位:苏州科技大学土木工程学院苏州美瑞德建筑装饰有限公司。