超高超宽异型钢管雕塑的结构设计及性能分析

刘 欢 李布辉 张大长

(1.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 210009;2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

随着城市人口对环境要求的日益提高，一部分滩涂沼泽被开发成沿江风光带，建筑雕塑给这些地区带来了别样的风光。随着人们审美眼光不断地提高，一些造型独特、高度较高的建筑雕塑正逐渐地出现在人们的视野中。但沿江风光带的风速较快、风力较大，风力作用对这些异型雕塑的正常工作影响较大。而钢结构雕塑具有质量轻、柔度大、阻尼小、自振频率低等特点，且往往比较高大，结构顶端处于风速较大区域，对风荷载十分敏感，所以风荷载是此类结构设计的主要控制荷载[1]。

目前，钢结构雕塑多采用钢管构件，钢管构件具有很多优点:管壁较薄，截面回转半径较大，故抗压和抗扭性能较好;在截面积相同的型钢中，钢管外边面积最小，加之钢管往往两端封闭，内部不易生锈，维护比较方便;钢管截面的流体特性比较好，承受风力作用时，荷载对钢管结构的作用效应比其他截面形式结构的效应低得多;钢管加工便利且技术比较成熟[2]。鉴于钢管构件的优点及相关工程应用实例，本文所研究的某异型钢结构雕塑主要承力构件拟采用钢管进行设计。

本文研究分析某超高超宽异型钢管结构雕塑，其主管均为流线型圆钢管，从地面旋转至顶端。主管上每隔0.3 m处均有一矩形水平钢板。该地区基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度A类，抗震设防烈度为9度。由于钢板间距较小，迎风面积较大，体型复杂多变，风荷载系数根据我国《建筑结构荷载设计规范》[3]中塔架结构规定取值。本文进行结构受力性能分析，为类似结构设计提供参考。

1 工程概况

1.1 结构形式

如图1所示，该异型钢结构雕塑群由3座高度不同、结构形态相似的雕塑组成，高度分别为21.8 m，17.6 m 及 14.7 m，属于超高结构。每个雕塑均由两个主管支撑，两主管以其间距的中点为轴线进行绕轴旋转至顶端，因此，主管均为流线型圆钢管。从地面至雕塑顶端每隔0.3 m设置有一矩形钢板，钢板厚度为0.1 m，宽度均为1.1 m，长度应根据两主管的间距而发生变化，其中雕塑中部钢板最长，达到9.3 m。主管采用Q345无缝圆钢管，钢板骨架为Q235方钢管和加强板焊接而成，外包不锈钢板，如图2所示。

1.2 荷载工况及组合

该超高超宽钢管异型雕塑的要求较高，结构安全等级为二级，结构设计基准期为50年，结构重要性系数为:r0=1.0，结构抗震设防类别为乙类。

钢板恒载为1.0 kN/m2，活荷载取0.5 kN/m2。风荷载设计时，基本风压为0.4 kN/m2，沿江风光带属A类地面粗糙程度，结构体型系数按《荷载规范》中的塔架结构选取，迎风面积按雕塑立面的外轮廓线确定。将每座雕塑在高度范围内划分为4段～5段，根据我国《荷载规范》的风荷载的计算方法得到每段范围内结构所受到的风荷载如表1所示，将风荷载以线荷载方式施加到主管上。

表1 风荷载设计值

该地区抗震设防烈度为9度，设计基本地面加速度为0.4g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，本工程属于异型结构，根据《建筑抗震设计规范》[4]规定应同时考虑竖向地震和水平地震作用。

根据工程结构的承载力极限状态及正常使用极限状态，该结构的主要荷载工况如表2所示。

表2 荷载组合

2 结构分析及强度验算

2.1 结构建模

采用SAP2000程序，建立整体模型如图3所示。分析模型中，主管和钢板框架采用梁单元模拟。利用膜单元施加钢板面荷载，并将该膜单元的质量、重度和刚度定义为0[5]，钢管底部采用刚接约束。

2.2 结构动力特性

经结构动力特性分析，该结构主要动力特性如图4所示，可知该结构前第四阶振型分别为扭振、扭振、弯曲振动、弯曲振动。

2.3 结构内力分析

建立结构分析模型，定义组合及分析工况，然后进行内力计算，分析中进行交互式钢结构设计。经多次反复分析得到根部主管的内力如表3所示，根据内力设计主管规格。根据计算结果，21.8 m高雕塑中部以下主管采用φ600×26圆钢管，17.6 m高雕塑中部以下主管采用φ500×18圆钢管，14.7 m高雕塑中部以下主管采用φ400×14圆钢管，可满足结构内力要求。为减少工程造价，中部以上主管规格可适当减小。分析发现，按构造要求设置上部主管规格也能满足结构内力要求，最小规格为φ219×6。

表3 杆件内力

2.4 结构位移及限值

该超高超宽钢管结构为特种结构，其变形限值可以参考我国各行业的相关标准，经比较分析参考我国《架空送电线路钢管杆设计技术规定》[6]较为合理，该《规定》“在荷载的长期效应组合(无冰、风速5 m/s及年平均气温)作用下，钢管杆的杆顶的最大挠度不应大于杆身高度的20‰”，因此，对特殊异型结构按该要求进行顶点位移控制。

基于结构整体分析可知，该结构由风荷载控制。由风荷载所引起的结构变形较大，该结构主要由塔顶的挠度变形控制，其他部分的变形均能满足规范的要求。按2.3节中由内力要求确定的杆件，21.8 m高雕塑顶点最大位移为0.40 m，17.6 m 高雕塑顶点最大位移为0.26 m，14.7 m高雕塑顶点最大位移为0.20 m，均能满足小于杆身高度20‰的要求。

3 结语

基于超高超宽异型钢管结构分析，可得到如下主要结论:

1)该结构前四阶振型为扭振、弯曲振动;

2)通过分析选取合适的杆件规格，可以同时满足结构内力和位移要求，可知此种结构方案在江边大风环境下是安全可行的;

3)按外轮廓线考虑结构迎风面积，按《荷载规范》塔架结构计算风荷载系数是合理可靠的;

4)为满足结构顶点位移的要求，结构上部主管规格应满足构造的要求，不宜过小。另外，该类异型结构的控制工况为风荷载作用。

[1]李万百.桥梁异型结构设计方法简析[J].建筑设计管理，2010，27(8):51-53.

[2]邵志民，刘 伟，于岩磊.某多层大跨度体育馆屋盖结构设计[J].低温建筑技术，2010(5):47-49.

[3]GB 50009-2006，建筑结构荷载规范[S].

[4]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[5]傅学怡，杨想兵，高 颖，等.济南奥体中心体育场结构设计[J].空间结构，2009，15(1):11-19.

[6]DL/T 5130-2001，架空送电线路钢管杆设计技术规定[S].