某金字塔形采光顶支承结构设计研究

徐 国 洲

(中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071)

1 工程概况

某建筑中央大厅顶部设置金字塔形玻璃采光顶，采光顶跨度40.8 m，锥面倾斜角度42°(见图1)。下部支承结构为一层钢筋混凝土框架结构，设一层地下室。根据建筑方案设计，采光顶锥面玻璃采用三角形分格，采光顶外部为钢结构装饰构架。

2 结构选型

玻璃顶跨度约为40.8 m，幕墙玻璃由斜向相交的13条分割线将三角形锥面分割为数量众多的菱形，再由横向分割线将每个菱形分割为两个三角形。支承结构设计结合玻璃分格方式，在斜向相交的分割线上布置主要受力构件，形成两向斜交单层空间网格钢结构，底部支承与混凝土主体结构屋面梁上，底部按铰接设计。

空间网格结构杆件截面通常为圆管、H型钢或矩形钢管。计算分析表明，采用H型钢或矩形钢管均可有效控制锥面挠度，同时兼顾经济性；圆钢管则不利于节约材料。结合结构杆件面内计算长度小、面外计算长度大的特点，从构件受力角度，采用H型截面最为合理，但考虑建筑装饰效果要求及室内环境日常围护方便，设计时采用冷弯空心矩形钢管。

3 结构计算

结合上述结构选型结论，设计时采用SAP2000v19.0.0建模进行结构计算分析及构件截面验算(见图2)。值得注意的是，玻璃顶支承结构为围护结构，设计时需按围护结构计算幕墙各锥面的风荷载，风荷载在幕墙表面并非均匀分布，边角部位较大，设计还需考虑围护结构局部开启造成的室内风压影响[1-4]。结构计算需在确保构件满足承载能力要求的前提下，校核结构在恒载、活载及风荷载作用下锥面产生的面外变形，使结构满足使用要求。根据强度及稳定性验算结果，结构构件的应力比均较小(小于0.5)，构件截面主要由结构变形及构件长细比等构造要求控制，截面尺寸为□150×500×10。

因采光顶为单层空间网格结构，为确保结构整体稳定，对结构进行了整体屈曲分析，结果表明，恒载及活载作用下结构第一阶屈曲因子为40.0(见图3)，表明结构具有足够的稳定承载力。

4 节点设计

玻璃顶锥面均为平面，杆件相交节点均设计为刚接节点，采用全熔透坡口对接焊缝连接，焊缝强度与母材等强。节点处贯通杆件内是否设置内隔板(见图4)，对结构安全性、经济性、施工便利性均有较大影响，设置内隔板，则节点传力机制更为直接、合理；不设内隔板，则施工更加方便，具备更好的经济性。因此，设计时对节点力学性能受内隔板的影响程度进行了有限元分析，计算时采用壳单元模拟矩形钢管壁板。

计算结果表明，节点形式(是否增设内隔板)对结构变形无明显影响，变形差异(小于1 mm)可以忽略。节点处壳单元最大应力计算结果如图5，图6所示，取消内隔板后，节点处钢管壁最大应力有明显增大，但两种节点形式下管壁应力均未达到设计强度，故均可行。由于本工程杆件截面由结构变形及构造要求控制，承载力有较大富余，设计时采用了节点1所示构造做法，提高了结构设计经济性。

5 结语

该金字塔形玻璃采光顶支承结构设计时，综合考虑安全、经济、施工，建筑装饰效果及室内环境日常围护方便等问题进行结构选型、风荷载取值及计算分析，在确保安全的前提下简化节点构造，达到了相对合理的结构设计成果。