苏州国际博览中心4#办公楼卸货区钢结构桁架结构设计

苏州国际博览中心4#办公楼卸货区钢结构桁架结构设计

1重要性疫情防控工程苏州国际博览中心总面积为32万平方米。平面布置呈扇形。方案由美国SOM公司设计,施工图设计由苏州市建筑设计研究院有限责任公司承担。该工程主要功能为展览、会议,地上建筑共两层,层1层高为15m,层2层高为12m,由西向东分为5个展厅,其中层2为8万m2连续的无柱展厅,汽车可直达层2展厅。北部设计为大型宽大便利的二层的卸货区。结构设计通过9条防震缝分割为10个相互独立的抗震单元。文中重点介绍该工程4#展厅北部卸货区的结构设计。2结构体系设计根据建筑外形及总平面设计,整个工程所需的机电用房安排在4#展厅北部一夹层,面积近6500m2。其中从层1卸货区地面至一夹层楼面的建筑层高为7.15m,从一夹层楼面至层2卸货区楼面的建筑层高为7.55m。一夹层建筑平面见图1。作为整个工程的水、暖、电设备用房,该区域一夹层荷载较重,但其下的层1卸货区需预留行走、回车、停放大型集装箱货车的净高度和宽度,柱子的布置受限制,而层2卸货区楼面更需承受大型集装箱车辆的荷载,所以该区域的结构设计要考虑的综合因素较多。在大跨度承受重荷载且对净高和空间又有要求的建筑中,如何选用满足建筑功能、结构受力合理、具有良好的施工可行性和合理的经济性能的结构体系是结构工程师面临的首要问题。经多方案比较,工程设计选用了竖向布置14榀上弦杆为层2卸货区楼面梁,下弦杆为一夹层设备层楼面梁,高度为7.3m(上弦杆中至下弦杆中)的巨型平面桁架,横向分别在平面桁架的节点处布置主梁,而在竖向布置间距为3m的次梁,见图2~5。整个卸货区结构布置既满足了建筑、设备功能的需要,且利用一夹层7.55m层高,最大限度地发挥了巨型平面桁架的结构刚度。整个布置结构体系明确、传力直接、各部分构件受力合理。更是在一夹层楼面至层2卸货区之间布置了巨型平面桁架后,层1卸货区柱间距从18m起,最大拉大至38m,既保证了层1的净高,又大大方便了车辆的行驶及回车。3叠层叠码设计结果分析卸货区的巨型平面桁架主要承受的荷载有:由以下几个部分组成:(1)巨型平面桁架的自重,此部分自重由计算机自动计算而得;(2)楼板和建筑面层的荷重,楼板均为250厚压型钢板组合混凝土楼板,在层2卸货区楼面结构板上还有厚200~500mm建筑混凝土找坡面层;(3)主梁和次梁荷重。由于一夹层为整个工程的设备用房,且我国建筑结构荷载规范中无此类大型设备用房的荷载取值,参照美国规范后,取一夹层设备用房活载为9.5kN/m2。待整个机电设备布置完毕,又按《建筑结构荷载规范》中附录B进行了楼面等效均布活荷载的计算,除个别设备的局部等效均布活荷载超出9.5kN/m2(最大值为12.0kN/m2)外,从整个桁架的整体分析结果来看,其内力还是由均布9.5kN/m2控制。层2卸货区楼面,亦参照美国规范取活荷载如下:板的验算35kN/m2或80kN集中力;主梁和次梁验算16kN/m2;巨型平面桁架验算12kN/m2。工程所在区域设防烈度为6度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.05g,场地类别为Ⅲ类,基本风压为0.45kN/m2。由于工程特殊的建筑平面和结构体系布置,所有的水平荷载均通过刚度较好的楼板传至展厅南北两侧长分别为90,107m,宽为9m的钢筋混凝土筒体,见图1,该卸货区的巨型平面桁架几乎不承受结构的地震和风荷载等水平作用。有关此部分的设计分析见文,。考虑到巨型平面桁架上弦杆面为层2卸货区,上面除了有结构混凝土板外,还有建筑混凝土板面层,腹杆基本全在设备用房室内,下弦杆虽暴露在室外,但不会直接受阳光照射,所以,在结构整体设计计算中,仅考虑了大气温差±20℃。4大型扁平框架的设计4.1抗侧板整体计算采用ETABS和SATWE程序进行独立的抗震单元整体计算(包括前厅、展厅和卸货区)。采用PK平面计算程序分析巨型平面桁架受力。用两个程序计算所得的结果进行综合分析。4.2钢结构可抗冲塔受力分析设计中,将上、下弦杆及腹杆在桁架竖向平面内均呈H形放置,并在楼面结构设计中,将层2卸货区楼面和一夹层楼面次梁和主梁的顶面分别高于平面桁架上弦杆面和下弦杆面,使混凝土楼板与上下弦杆面之间存在5mm的空隙,楼板上的恒载和活载通过次梁传给主梁,主梁以集中荷载的形式传至平面桁架节点。既减小了桁架构件在平面内的弯矩作用,又充分发挥了钢结构巨型平面桁架轴心受力的优势,加强了构件平面外的刚度,见图4。由于桁架所有杆件主要受轴向力作用,决定桁架在竖向平面内的整体刚度的主要因素是桁架的高度和各杆件的截面积,而非杆件在竖向平面内对自身中性轴的惯性矩,因此这种构件布置方法对钢桁架的整体刚度影响不大,反而保证了桁架所有构件均承受轴向力作用。4.3节点内弯矩分布1)卸货区所用钢材为Q345B,截面形式为焊接H型钢。设计时根据各杆件内力初步计算确定杆件截面大小。为使节点加工方便,一榀桁架的所有杆件均具有同样的高度(横放后为宽度)。钢结构构件截面参数输入时,直接输入相应的截面形式和参数。2)桁架构件在各节点处的连接方式按其实际连接状况确定。上弦杆按连续杆件输入。由于腹杆在节点处的拼接是腹杆腹板用螺栓拼接,而腹杆的上、下翼板是打坡口等强焊接,所以腹杆在节点处仍按刚接考虑。计算结果表明,由于桁架中各杆件在竖向平面内均呈H形放置,对自身中性轴的惯性矩极小,构件主要受轴向力,即使按刚接计算,弯矩极小可以忽略。3)由于受到建筑对柱子布置位置的限制,平面桁架均为跨度相差较多的大小两跨,选取其中一榀,如图6所示。如设计成连续刚接两跨,由于跨度相差较多,在中间柱处存在较大的不平衡力,将会在中柱和边柱上形成较大的弯矩。设计中,将桁架在柱处的节点假定为铰支座,即柱按整根连续输入,桁架在柱边铰接输入,内力通过节点处柱水平位移协调。4.4易刚度的分析在恒载+活载作用下的桁架中部计算的最大挠度为3.6mm。可见,尽管桁架上作用的荷载和跨度均较大,但由于平面桁架的高度较高,计算挠度值很小,充分显示了该桁架的巨大刚度。表1为图6中桁架9部分杆件的计算最大内力。4.5中柱复核计算的结果表2为按钢结构设计规范对轴(13)~(14)间的上弦杆及轴(11)~(17)上的中柱复核计算的结果。由表可以看出:由于桁架上、下弦杆及腹杆所承受的弯矩、剪力很小,按压弯构件或拉弯构件计算所得的结果与按轴心受力构件计算结果非常接近,设计中可以直接按轴心受力构件进行设计。5型钢平面桁架结构及安装工艺苏州国际博览中心4#展厅卸货区通过合理的结构布置,精确的结构计算,达到了合理的经济性能。经全部X-STEEL软件统计,包括所有节点板在内的总用钢量为179kg/m2。1)利用设备层的高度在大跨方向布置巨型平面桁架,充分发挥巨型平面桁架的结构刚度。2)巨型平面桁架的杆件在平面内呈H形放置,强化桁架轴心受力性能,弱化在自身平面内的刚度,保证桁架所有构件均受轴向力作用。3)楼面荷载