天津某产业园区综合大楼钢结构设计

□文/朱黎蓬 杜恩阁

工程概述

天津某产业园区管委会大楼，集办公、展览、会议、商业等于一体。该项目主体4层，不含地下室，主体高度17.100 m，除首层层高为4.5 m外，其余各层层高均为4.2 m，采用钢框架结构体系，总面积24 000 m2，主要柱网8.1 m×8.1 m，局部抽柱形成跨度24.3 m的钢连廊。首层及二层局部结构平面见图1和图2。

图1 首层局部结构平面

图2 二层局部结构平面

该工程设计使用年限为25 a，抗震设防烈度7度（0.15g），场地类别为Ⅲ类场地。

结构分析及计算

本工程主要采用SATWE软件进行分析，STS软件进行建模及节点的设计，同时采用ETABS软件进行竖向振型的补充计算。

钢柱脚嵌固端的选取

工程采用外露式钢柱脚，基础为桩基础＋独立承台，承台上设短柱作为钢柱的支承，见图3。

图3 钢柱基础大样

对于建模时钢柱脚嵌固端位置的选取，有2种做法：一是选在短柱上皮，也就是图3中标高-0.560 m位置；另外一种是选在基础上皮，也即标高-1.150 m位置。对于以上2种作法，以往设计中都有采用。本工程设计时2种方案都进行了建模，模型1采用第1种方法建模，模型2在模型1的基础上增加一个标准层，把短柱建立进去，模拟短柱对钢柱的影响，短柱的嵌固端取在承台上皮。对比2个模型的计算结果可以发现，结构的周期、位移比、位移角以及典型构件内力等并无明显差别，说明基础短柱的刚度相对于钢柱的刚度足够大。

对本工程而言，2种方案都是可取的。模型1的优点是可以直接利用计算结果对钢柱脚进行设计，缺点是短柱的配筋要根据钢柱脚的内力输出结果进行二次设计；模型2的优点是可以直接得到短柱的配筋结果，缺点是钢柱的柱脚要根据计算内力进行二次设计。为简化计算，选用第1种方案。

恒载施工加载方式的模拟

一般混凝土多层结构都是逐层施工，即刚度逐层形成，质量逐层施加，其具体过程见图4，采用SATWE软件中的“模拟施工加载3”方式来模拟比较符合结构在施工过程中的实际受力情况。

图4 “模拟施工加载3”计算

钢结构多层结构一般是待主体钢框架安装完毕后，才逐层进行楼板等的施工并且由于钢结构自身的质量很轻，绝大部分楼层质量都由楼板以及其上建筑面层与隔墙组成，故可以认为其施工过程为刚度一次形成，而质量逐层施加，其具体过程见图5，故采用SATWE软件中的“模拟施工加载1”方式来模拟施工过程中结构的受力更加符合实际情况。这也是类似钢框架设计计算时一个需要注意的地方。

图5 “模拟施工加载1”计算

连廊选型及舒适度分析

为突出建筑特色，方案要求局部抽去2根钢柱，从而形成跨度达24.3 m的钢连廊，其主要承力构件为人字形斜撑及上下弦杆和竖腹杆组成的跨度为24.3 m的钢桁架，其立面见图6。该连廊跨度较大，而钢结构相对较柔，人在上面行走时容易引起共振，故对舒适度的要求较高。

图6 连廊结构立面

初始结构选型时，在图6的中部两节间同样布置了人字形状斜撑，这样可以大大提高连廊部位的刚度，减小其挠度，增加舒适度。但是经过计算，发现此时结构的位移比超过规范[1]要求的1.5，达到1.84并且在连廊的上下邻近层产生刚度突变，形成了薄弱层。这是由于加斜撑后此部分结构的刚度增大，而此处邻近共享空间处质量相对较小，质心与刚心有较大偏移，从而造成结构有较大扭转效应。经过多次试算，最终选择了图6的斜撑布置方式，取消中间一榀人字形斜撑，把左右两榀人字形斜撑的联系割断，弱化其水平刚度，最大程度保证其竖向刚度，最终各项指标均满足规范要求。

在荷载标准值作用下，该钢桁架的竖向挠度为20 mm，小于规范[2]要求的桁架跨度的1/400，即 60.750 mm，实际制作时要求该钢桁架起拱40 mm，以确保观感要求。

下面分析在人群荷载激励下连廊是否会产生竖向共振。根据文献[3]，人群步行激励的频率为1.6～2.4 Hz，只要连廊的竖向自振频率远离人群步行激励的频率，就不会产生共振。

利用ETABS软件进行结构的自振特性分析，其前20阶振型参数见表1。

表1 前20阶振型信息及质量参与系数

根据表1的计算结果，前20阶振型中，仅第5、16、17、18、19振型为竖向振型。而观察其振动模态，均为结构周边悬挑构件的竖向局部振动并未见到连廊部位的竖向振动，说明连廊的竖向振动频率远离人群步行激励的频率，故不会产生共振。

共享空间处风荷载的正确模拟

对于一般结构，进行风荷载计算的时候，程序把各层的风荷载施加于结构的质心处，这种简化作法对于各抗侧力构件（本文特指钢框架柱）可以满足工程设计的精度要求。但是本结构的首层及二层有局部的共享空间，产生了2根越层柱作为建筑外维护玻璃幕墙的水平及竖向承力构架，这2根钢框架柱依旧按照常规做法，把该层的风荷载施加于结构的楼层质心处，会造成本层所有竖向构件共同抵抗越层柱外围建筑幕墙传来风荷载的假象，对越层柱的计算结果不安全。故实际计算时应按照规范[4]手工导算2根越层柱承受的风荷载，然后通过操作SATWE软件中的“水平风荷载查修/修改”菜单，人为修改程序的导荷结果，实现越层柱风荷载的正常施加，以保证特殊构件计算结果的安全可靠。

净截面和毛截面比值的正确理解与合理运用

目前钢结构梁柱及主次梁的连接节点常采用螺栓连接或栓焊混合连接。本工程梁柱节点的连接做法采用的是栓焊混合连接，主次梁连接采用螺栓连接。螺栓连接必然对构件截面造成一定的削弱，合理考虑螺栓孔对构件截面的削弱是钢结构设计中的一个重要问题。根据规范[2]要求，梁的受弯强度计算和柱的压弯强度计算需要考虑螺栓孔的削弱作用。

钢结构节点繁多，很难精确考虑螺栓孔对构件截面的影响，而此影响对结构的安全及工程经济合理性有比较大影响，当过分考虑螺栓孔的削弱作用时，会使构件用钢量增大而导致浪费，反之会造成设计结果不安全。为此SATWE软件提出了参数“钢结构截面净毛截面比”来近似考虑螺栓孔的削弱影响，经大量试算，发现该比值大约为0.85左右，当填写此参数时，软件的后处理中构件强度设计结果会取计算结果与此结果的乘积，以近似考虑螺栓孔对构件截面的削弱。

结合本工程的设计计算，设计过程中应用此参数时需要注意以下几点问题。

（1）多次计算。在设计验算时，程序并不区分构件的连接方式与截面区段，比如梁不区分是刚接还是铰接，也不区分跨中截面或支座截面；另外也不是所有的构件截面都受到螺栓孔的削弱作用，比如柱贯通型的节点，钢柱的截面并未受到削弱，故当查看设计结果时，应当把柱的强度输出结果除以净毛截面比，才是真实的柱强度计算结果；再比如铰接次梁，其计算结果的查看同样要除以净毛截面比，因为次梁的弯矩比较大的截面（如跨中截面）都未削弱，而其受到削弱的部位（支座截面）只需要进行受剪验算，而受剪计算采用的是毛截面。

（2）详细计算。采用钢结构截面净毛截面比主要是针对钢框架梁的支座处，但是钢框架梁又有很多种类，不可能去一一核算其该参数的取值，当对计算结果有疑问的时候，应当查看STS软件的“全楼节点连接设计”，该模块对梁柱节点构件采用真实的螺栓排列及螺栓孔影响计算构件截面的强度，是精确计算。

结构构造做法

精细的计算必不可少，合理的结构构造也十分重要，它使结构的实际受力与结构的计算假定保持一致，保证设计安全合理。

嵌砌砌块填充墙节点构造

采用砌块作为建筑墙体材料。由于钢结构的刚度相对较弱，而砌块墙的刚度较大，为了合理考虑填充墙刚度对结构的影响，除在地震作用计算时对结构的周期进行折减外，在砌块墙与钢柱嵌砌时，两者之间填充30 mm柔性材料（聚苯板），以削弱砌块填充墙对钢框架的不利影响，做法见图7。

图7 砌块墙与钢框柱连接节点

钢柱柱脚做法

钢柱的柱脚由于和土壤等接触，锈蚀严重，使用过程中造成较大安全隐患，对此钢结构规范[2]对钢柱柱脚的包裹做法提出严格要求并列为规范强制性条文。根据规范意见并参考有关图集，有2种做法可以满足要求，见图8。

图8 柱脚做法

对比2种做法，做法2对钢柱脚的保护程度最好，但是由于做法2会给建筑装修造成较大困难，故采用做法1。但是采用做法1有个前提，即土壤中不能存在侵蚀性介质作用，当存在侵蚀性介质作用时，或者采用做法2，或者对地基进行材料换填，把侵蚀性介质去除，用较好土壤代替。柱脚做法应当引起足够的重视，它关系到使用过程中结构的安全。

钢桁架节点做法

钢桁架是结构的重要部位，其连接节点均采用等强连接，焊缝要求采用全融透焊缝并要求100%探伤，以策安全，做法见图9。

图9 钢桁架连接节点做法

结语

当前，软件的运用更加灵活，对软件的原理有深入的认识，再加上工程师丰富的经验才能作出更加优秀的设计，才能贯彻国家对建筑工程安全适用、技术先进、经济合理、确保质量的技术经济政策。

[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范（2008年版）[S].

[2]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[3]孙利民，闫兴非.人行桥人行激励振动及设计方法[J].同济大学学报（自然科学版），2004，32（8）：21-24.

[4]GB5009-2001，建筑结构荷载设计规范(2006年版)[S].