浅析高空钢结构体系的设计

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钢桁架体系模型的建立及优化

1钢桁架体系的建立

从结构受力来看，由于所有荷载都将传递至下部钢筋混凝土框架剪力墙体系上，下部结构体系承受了很大的负荷，如何设计并优化这一结构就变得十分关键。设计遵照BS5950:2000标准，利用SAP2000有限元计算软件建立了精确的三维空间计算模型(见图3)，模型包括了3D钢桁架与LED画像平面刚架，考虑了检修楼梯、支撑等全部结构构件。为简化水平作用的计算，设计将模型分为10层，基础为屋面标高，在局部坐标系里定为±0.000标高点，向上第1层为10m，第2～9层为5m，最高1层为4.08m。初步设计时，假定该体系直接固定在屋面板上，支座如图4所示，模型中支座被假定为固定支座，以得出支座反应数据再验算楼板承载力。而按照英国标准考虑荷载组合，初步计算后得出在选用S-335级型钢时支座产生的包络反力值，如表1所示。

2设计优化

1)验算后发现屋面板按现有梁柱布置情况不能承受该体系的质量，但若在桁架柱支座下方添加支撑体系，势必影响塔楼下层的使用空间，这与建筑顶层为酒店的建筑功能相冲突;于是设计在兼顾这些因素的情况下，做了如下修改:将支座外移组合到屋面四角柱内，设置预埋件为其提供竖向支撑。2)水平荷载下的结构受力安全依前文所述，风荷载考虑为3kN/m，LED画像的受荷面积取为全部面板1/2的情况下，计算得出水平位移过大，因此设计在钢结构体系下部增加了10处水平支撑，支撑均设置在屋顶以上设备层楼板标高处，并直接与混凝土核心筒中的预埋件固定，最终确定设计模型如图3所示。计算结果显示钢结构各部分在各荷载组合下的承载力计算安全，变形验算可靠。

3构件截面设计

在AlHikma高层钢结构设计中，主要采用焊接箱形桁架截面作为标准构件，可以有效地节约成本;选用S-335J0级钢材，焊接组成如图6所示的标准桁架单元，再逐层采用Degree8.8级(英国标准BS3692)的镀锌螺栓连接，简化了施工过程。

1)钢材的选用。在本工程高空钢结构体系中，工字钢主要采用S-355J0级钢板材制作，而圆钢管与方钢管则主要采用S-355JOH无缝钢管;这类钢材在英国规范BSEN10025(1994)中属于工程和焊接用非合金钢，当钢材厚度＜30mm时，其含碳率≤0.20%，含磷率与含硫率均≤0.040%，经实测得其屈服强度≥385MPa，抗拉强度在525～590MPa，伸长率≥22%，纵向冲击韧性≥36%，具有良好的机械性能与焊接性能，均满足规范要求。

2)截面设计。进行钢结构构件截面设计时，其中最重要的一个因素是结构构件的应力水平，构件的应力水平不仅体现构件安全与否，而且还与结构的用钢量直接相关。本案中由于安全性的考虑，桁架各构件的应力比均控制在＜0.7的范围之内。

主要计算结果与用钢量统计

1静荷载作用下的内力与变形

在考虑恒荷载、活荷载、风荷载和温度作用的组合下，对结构空间计算模型进行分析，得出内力与变形值。由程序的计算结果可知，最大层间位移均发生在y向风荷载单独作用下，其值如表2所示。

2用钢量统计

在高空钢结构设计概算阶段，整个桁架体系的统计用钢量为720.7t。

结语

综合该高空钢结构体系的设计过程，不难发现就中东燥热地区高层建筑的露天钢结构焊接箱形桁架而言，由于其设计截面较小，在考虑了各种效应的作用(包括当地燥热气候影响)之后，钢结构设计的重点仍应放在对构件截面设计与优化之上，并通过建立3D设计模型来对体系构件的应力比进行优化，提高材料的利用率，使结构的经济性更加优化。（本文作者：王力尚、李方升、田三川、许辉 单位：中建中东有限责任公司、中建股份有限公司海外事业部）