武夷山游客中心A区钢结构设计

张志新

(福建利安建筑设计顾问有限公司 福建福州 350001)

1 工程概况

本工程位于武夷山风景名胜区南入口，地上二层、地下一层，最高点24m，总建筑面积约36000m2，本建筑依山就势，与周围群山紧密相连，相得益彰。建成之后将成为武夷山市新地标，建筑方案详(图1)。

图1 建筑方案

2 结构体系及特点

2.1 钢结构体系

A区为细长的矩形平面，长细比为4.22，屋面标高变化大，从左到右共有四个坡屋顶见(图2)，其中最高点为24m(大跨部分屋脊)，最低点为4.8m(最左边斜坡)。且中部有35m跨度的开敞的检票大厅，这样导致大跨左右两部分刚度不协调、楼板不连续的问题。结合建筑平面的分隔和结构抗侧刚度的需求，在不影响建筑功能的位置设置多道柱间支撑，形成钢框架－支撑的结构体系，平衡大跨左右两边的刚度。同时利用在检票大厅的南侧二层设置连廊和北侧的雨棚，以增加结构的整体性。

图2 A区剖面图

如(图3)，检票大厅上空为空间圆管桁架结构，由主桁架和次桁架搭接而成，构成与建筑外墙角度一致的内斜的两片三角形主受力墙，平面次桁架内增加交叉支撑，以增强屋盖体系的整体刚度。检票大厅内连廊一端与桁架交接，一端利用拉杆连接于桁架上。

2.2 结构特点及设计难度

(1)结构不规则，扭转效应大。A区钢结构为细长平面，左部分和右部分为钢支撑体系，中间部分为大跨度体系，且缺少楼板支撑，导致侧向刚度分布不均。中间部分竖向及侧向位移都比左右部分大，整体模型的扭转效应也比较明显，合理选择大跨度部分杆件的截面类型以及扭转应力的分析成为本工程的关键。

图3 大跨桁架轴测图

(2)屋盖体系自重重，幕墙钢结构造型复杂。屋面及两侧边采用GRC板，且造型比较复杂，特别是大跨度部分，布置了多层龙骨，外表皮至内表皮厚度最大处达到了5m，增加了大跨度部分的竖向位移。

(3)节点类型多，关键节点设计复杂。由于整体结构的复杂性，武夷山游客中心A区钢结构的节点类型多达十几种，其中的主要节点类型包括:管桁架部分与钢框架部分的连接节点、主桁架交汇节点、主桁架柱脚节点、连廊拉杆节点、主桁架焊接球柱脚节点。对于一些关键节点，由于汇交杆件较多，构件之间的空间关系复杂，节点受力较大，导致节点设计难度很大。

3 结构分析及设计

3.1 分析模型

图4 计算模型简图

工程分析模型如(图4)所示。框架部分均采用刚接节点，主桁架落地节点采用铰接节点(销轴连接)。

3.2 荷载作用与设计准则

3.2.1 荷载作用

荷载作用主要包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用和温度作用。其中自重由程序自动计算，GRC楼盖的恒载取值为2.0kN/cosα，α为屋盖平面与水平面的夹角。

温度荷载考虑整体升温25℃以及整体降温－20℃ 。

3.2.2 设计准则

综合考虑结构的安全与经济性，确定构件应力比的控制原则为:框架部分主要构件的应力比不大于0.85，大跨度桁架部分主要杆件的应力比不大于0.7.其余次要构件的应力比不大于0.9。

3.3 结构静动力性能

计算最大位移值及应力比详见(图5、图6)。

图5 大跨部分最大组合荷载下位移图(mm)

图6 大跨部分设计应力比

主要工况位移值，见(表1)。

表1 各工况位移值

计算结果可知:(1)位移最大处发生在大跨度结构部分，各个荷载组合下，最大合位移为52mm，挠跨比52/3500=1/674＜1/400，满足规范要求见(图5);(2)风荷载作用下结构位移都比较小，说明风载对结构作用不敏感;(3)相比于大跨度部分，框架部分位移都比较小，说明大跨度部分为部结构侧向刚度最薄弱处，应该适当采取措施加强;(4)由于本结构长细比较大，温度对整体结构的影响也比较大。

结构设计内力比结果见图6，框架部分的应力比都小于0.85;对于管桁架部分，考虑到存在的扭转应力以及施工误差，控制主钢管的应力比不超过0.7。

4 结构稳定性分析

采用SAP2000建立结构的整体稳定性分析模型，通过线性屈曲分析，可以获得结构的屈曲荷载及相应的失稳模式，从而了解结构的薄弱区域。另外，根据屈曲模态对结构施加一致初始缺陷，是结构非线性稳定分析的基础。图给出了结构在“1.0DL+0.5LL”组合工况下的前三阶屈曲模态，对应的屈曲系数见(表2)。

表2 屈曲系数

可以看出，结构的前三阶屈曲均发生在大跨度桁架结构。由结构的静力分析可知，大跨度部分是整个结构变形最大的地方，并且缺少楼板的侧向约束作用，从而导致此处成为最容易屈曲的位置。

图7 第一阶屈曲模态

图8 第二阶屈曲模态

图9 第三阶屈曲模态

5 节点设计

本工程节点类型很多，本文将对其中一个较为复杂的钢结构节点进行分析探讨。主桁架右侧钢管由于建筑使用功能的限制，只能落到二层的圆柱上，三根主管(Φ351×12)交汇于焊接球(Φ600×20)上，用十字连接板连接于圆柱上。采用hypermesh进行有限元建模，并用壳单元来进行网格划分，有限元模型如(图10)。采用通用有限元软件ABAQUS进行有限元计算，选取最不利工况进行分析，计算结果如图11。对于模型来说，钢管与钢球连接处，钢球与十字板连接处产生应力集中现象，最大的 Mises应力为168MPa，小于 Q345B钢材的屈服强度295MPa(按钢材厚度20mm所对应的强度)，满足规范要求。

图11 节点Mises应力云图

图10 节点有限元模型

6 结语

武夷山游客中心A区钢结构整体结构比较复杂，跨度大，刚度分布不均匀，节点种类较多。为此，在设计之前，合理的选择了结构受力体系以及布置抗侧力构件。针对结构体系的复杂性，设计中分别对其进行了主体钢结构的静动力分析、温度作用分析、整体稳定性分析。节点设计中，务求杆件传力清晰直接，精简交汇的杆件数量，并对关键的节点进行有元分析。

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