大型钢结构采光顶设计

张健，唐亚林

（1.东方农道建筑规划设计有限公司，湖南 长沙 410006；2.长沙市建筑设计院有限责任公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

钢结构在商业综合体的采光天顶中运用得十分广泛，目前有诸多研究者对此类采光顶的设计进行了介绍。李聪等[1]介绍了某商业广场裙楼采光顶，其研究重点为柱脚的双向滑动球形支座，结果表明球形支座结构的设计较为合理。吴社[2]在设计采光顶时采用了倒三角形截面的方钢管桁架，其分析表明倒三角形截面的方钢管桁架自身刚度大，平面刚度小，需通过加支撑来解决。综上可知目前的研究者多对采光顶的结构安全性方面进行了研究，而对于结构整体美观性关注较少。本文同时关注结构安全性与室内观感，通过结构布置方案比选和截面优选寻求一种既安全可靠又美观简洁的结构方案。

1 项目概况

某6 层商业综合体项目主体采用混凝土框架结构，其内天井的玻璃采光顶采用钢框架结构，综合体整体模型见图1 所示。采光顶整体呈类椭圆形，长向跨度（直径）为42m，短向跨度（直径）为24m，综合体砼屋面的标高为26.1m，玻璃采光顶屋面的标高为29.1m。本文主要介绍此类大型钢结构采光顶设计要点。

图1 综合体整体模型截图

2 结构设计参数

2.1 主要技术指标

本工程设计基准期为50 年，设计使用年限为50 年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1，建筑防火分类为一类，耐火等级为一级。

2.2 抗震设防有关参数

本工程抗震设防烈度为6 度[3]，设计基本地震加速值为0.05g，水平地震影响系数最大值为0.04。场地类别：Ⅱ类，设计地震分组：第一组，特征周期值：0.35s。结构阻尼比：0.04。抗震设防类别为乙类，按6 度进行抗震计算，按7 度要求采取抗震措施。

2.3 荷载取值

屋面荷载：1.0kN/m2，屋面荷载：0.7kN/m2，100 年重现期风压：0.45kN/m2，地面粗糙度B 类，100 年重现期雪压：0.55kN/m2，吊挂荷载：5kN/处，共8 处。温度作用：±25℃[4]，地震作用：详第2.2 节。

2.4 荷载组合

采光顶结构设计荷载组合如表 1 所示。荷载组合考虑结构受力特点和结构构成情况，并满足《玻璃幕墙工程技术规范》[5]和《采光顶与金属屋面技术规程》[6]的相关规定。其中风荷载、活荷载、温度作用及地震作用是结构设计的控制荷载，因此以上四种荷载均作为第一可变荷载进行了组合。考虑到采光顶顶部风荷载的方向，荷载组合分为恒载有利、不利两种情况。

表1 采光顶结构荷载组合

3 结构布置

本采光顶工程采用钢框架结构，为达到最佳室内效果，需尽量减小梁截面高度。本设计采用减小柱距和沿短向布置主跨的方式来减小主梁的受荷面积及跨度，以期望最大限度地减小主梁截面。结合玻璃幕墙的合理分割尺寸（2m2以内，约1.4m边长），经过多次试算，结合整体效果本设计最终将柱距定为2.8m，不同柱距下主梁截面见表2 所示，梁截面高度随柱距变化见图2，从图2 中可知柱距在2.8～5.6m 区间内，随着柱距的增大，钢梁的截面高度呈线性增加，而柱距在1.4～5.6m 区间内，在1.4～2.8m 段出现非线性异常，其原因是柱距过小时钢梁的截面高度由挠度控制而非强度控制。采光顶结构布置见图3，采光顶结构模型示意图见图4。

表2 不同柱距下主梁截面尺寸表

图2 梁截面高度随柱距变化图

图3 采光顶结构布置图

图4 采光顶结构模型示意图

4 结构设计

4.1 梁柱截面选型

本设计为钢框架结构，两个主轴方向均需要提供有效的抗侧移刚度，因此本设计采用矩形截面柱，主跨方向对应的截面为长边，另一方向对应截面的短边。

为尽可能地减小梁截面高度，提升室内效果，主次梁也采用矩形截面；为方便施工找形，连接钢柱的周圈弧形边梁采用圆形钢管。本工程主要结构构件规格如表3 所示。为方便加工与安装，本设计屋面排水找坡采用幕墙找坡形式。

表3 主要结构构件规格表

4.2 结构分析

4.2.1 动力分析

由于本设计垂直主跨方向的刚度明显弱于主跨方向刚度，因此第一振型将沿着垂直主跨方向振动，通过检查动力分析结果是否满足此条规律，可简单判断模型是否正确。动力分析结果：第一振型沿垂直主跨方向振动，对应自振周期为0.4s，主振型图见图5，第二振型沿主跨方向振动，对应自振周期为0.35s，第三振型维扭转振动，对应自振周期为0.3s。

图5 主振型图

4.2.2 静力分析

本设计的应力比图见图6，最大应力比出现在最大主跨的主梁上，最大应力比为0.92；竖向位移云图见图7，最大竖向挠度出现在大跨主跨的跨中，设计时需控制此挠度不能太大，以免影响正常使用，本设计取跨度的1/400 为挠度的控制值[7]。

图6 强度应力比图

图7 竖向位移云图

4.3 柱脚设计

由于采光顶钢柱的柱脚是从砼屋面边梁上生根，本设计采用铰接柱脚，尽可能地减小钢柱传递给边梁的弯矩，防止柱脚对边梁的不利影响，同时也方便施工。柱脚采用在砼边梁中设置预埋件的形式，钢柱再与埋件的锚板焊接。由于采光顶跨度大，各柱脚均无向上的拉力，只有向下的压力和剪力，因此埋件计算时偏安全地将压力取为零，仅需将最大剪力设计值从计算结果中提取出来后进行抗剪计算即可。图8 是本项目柱脚的典型大样图。

图8 钢柱柱脚典型大样图

4.4 梁柱节点设计

箱型截面梁柱及主次梁连接采用现场焊接的形式，避免了外露螺栓，简洁美观。主要连接大样见图9。

图9 典型节点大样图

5 结论

本文通过结构布置方案比选发现除小柱距（1.4～2.8m）外，钢梁的截面高度随着柱距的增大呈线性增加，而在小柱距范围内出现非线性异常，其原因是柱距过小时钢梁的截面高度由挠度控制而非强度控制。参照此结论，本文选取了合理的梁柱截面，提供了一个既安全可靠又美观简洁的结构方案。