1、多层大跨度装配式混合型空间钢网格盒式结构的工程应用 朱鹏昊 马克俭 贵州大学空间结构研究中心 摘 要： 本文介绍了一种新型的钢网格盒式结构-装配式混合型空间钢网格盒式结构, 已申请相关发明专利, 对其产生和发展做了简单介绍。针对此种新型结构, 以某实际工程为例, 采用 SATWE 程序对结构进行多遇地震作用下的计算, 从周期比、位移角和位移比、承载力之比对结构抗震性能进行评估。分析结果表明, 该新型盒式结构整体稳定性和抗侧刚度均较好, 能够满足设计要求。关键词： 混合型; 装配式; 盒式结构; 钢结构; 振型分解反应谱法; 作者简介：朱鹏昊 (1989-) , 男, 在读硕士, 研究方向:大跨
2、度空间结构, Email:.作者简介：马克俭, Email:.收稿日期：2017-06-11基金：国家自然科学基金 (50968004) Engineering Application of Multilayer Large Span Assembled Hybrid Spatial Steel Grid Box StructureZHU Penghao MA Kejian Space Structure Research Center, Guizhou University; Abstract： This paper introduces a new type of steel grid b
3、ox structure-assembled hybrid spatial steel grid box structure, which has been applied for patent of related inventions, and has made a brief introduction to its emergence and development. According to this model, based on a practical project as an example, to calculate the structure under the actio
4、n of multiple earthquakes by SATWE program, and the seismic performance of the structure is evaluated by cycle ratio, displacement angle and displacement ratio, and the ratio of the carrying capacity.The analysis results show that the overall stability and anti-lateral stiffness of the new box struc
5、ture are better, which can meet the design requirements.Keyword： hybrid type; assembly type; box type structure; steel structure; vibration mode decomposition response spectrum method; Received： 2017-06-11一直以来, 跨度在 1836 m 的公共与工业建筑, 均采用单层轻钢结构, 多层大跨度公共与工业建筑, 采用常规的钢框架结构, 导致层高加大, 用钢量增多。基于此贵州大学马克俭院士等人研发了
6、装配整体式空间钢网格盒式结构, 这种新型结构以层为单位, 由横向钢-混凝土协同式组合空腹夹层板楼盖12和竖向单层钢网格式框架墙体3组成, 然后自下而上逐层叠加, 就形成了空间钢网格盒式结构, 如图 1、图 2 所示。近年来, 采用发明专利4“大跨度装配式正交斜放空间钢网格盒式结构”, 兴建多层 (2 层4 层) 大跨度 (1824 m) 公共与工业建筑的工程不断涌现, 如贵州省贵阳市、湖南省湘潭市、江苏省南京市、四川绵阳市、黑龙江哈尔滨市等建筑面积达 60 余万平方米, 此类单跨多层大跨度新型空间网格盒式结构具有广阔的发展前景。图 1 空间钢网格盒式结构示意图 下载原图盒式结构的空腹夹层板楼盖
7、形式主要有正交正放、正交斜放、斜交斜放和蜂窝形空腹夹层板楼盖结构1。多层大跨度窄长形平面的建筑工程中, 柱网已定, 当大跨度窄长形平面 (Lx/Ly1.5) 楼盖, 呈现“单向受力板”的力学模型时, 采用“正交斜放”空腹网格或“斜交斜放”空腹网格均达不到该窄长形平面楼盖长短边几何尺寸要求, 如某建筑楼盖, 其长边楼盖 Lx=57.2=36 m, 其跨度方向 Ly=27.2 m+4 m=18.4 m, 即夹层板沿长边支座间距 a1=3600, 即Lx=103600=36000, 沿跨度方向支座间距, 有 4 个 3.6 另加一个 4 m, 即Ly=43600+4000=18400, 即楼盖长、短
8、边支座间距无相同公约数 (此处为 3.6 m) 。图 2 空腹楼盖和钢网格框架墙体拼装示意图 下载原图为此, 马克俭院士等人提出了混合型空腹网格楼盖, 并申请了“大跨度装配式混合型钢空腹夹层板楼盖及制作方法”的发明专利5, 它解决了大跨度窄长形平面 (Lx/Ly1.5) 周边支承点间距大部分相同, 个别不同造成空腹楼盖网格划分的难题, 使楼盖结构的力学模型仍为“单向板”。它是大跨度窄长形平面楼盖的特定形式下的楼盖其空腹网格类型多, 但合理划分和组合使楼盖同样具有“单向板”的力学模型, 达到“经济、适用、绿色、美观”的建筑要求, 在此基础上, 将此种楼盖各支撑点用框架钢柱 (H 钢或钢管) 取代
9、, 并将其网格化, 形成网格式框架, 即横向楼盖的混合型钢网格与竖向钢网格框架两者刚性连接, 形成混合型空间钢网格盒式结构, 这种空间网格盒式结构一层又一层叠合, 即形成多层混合型空间钢网格盒式结构, 这种空间钢网格盒式结构整体与楼盖一样, 将钢网格式框架也单元化, 在车间制造后现场拼装, 从而形成“多层大跨度装配式混合型空间钢网格盒式结构”, 并申请了“多层大跨度装配式混合型空间钢网格盒式结构”的发明专利6。其实质是“多层大跨度正交斜放空间钢网格盒式结构”基础上的开拓和发展。1 多层大跨度新型结构体系1.1 装配式混合型钢空腹夹层板楼盖其内部网格由正方形网格, 平行四边形网格和四边形网格组成
10、, 在周边的等腰三角形网格, 其夹角除了 45外, 尚有部分大于 45夹角和小于 45夹角的等腰三角形网格出现。将大跨度混合型钢空腹夹层板楼盖, 划分为若干个工厂车间加工单元, 按这些网格加工单元, 在工厂车间下料、打孔, 节点焊接后形成各类网格单元, 即楼盖形成网格化的工序均在车间完成, 达到完全的工业化要求。将工厂车间加工成型的各类网格单元, 分类分批运到施工现场, 在周边框架柱和梁就位后, 将各类网格单元 (A、B、C 等) 按单元布置图安装就位, 在单元与单元的拼接点用高强螺栓等强连接形成“大跨度装配式混合型钢空腹夹层板楼盖”整体。如图 3 所示混合型钢空腹夹层板楼盖网格单元划分图,
11、黑点为拼接位置。图 3 混合型钢空腹夹层板楼盖网格单元划分图 下载原图图 4 钢网格式框架墙体网格单元划分图 下载原图1.2 装配式钢网格框架墙体钢网格式框架墙体和钢空腹楼盖类似, 均单元化, 在车间下料, 坡口及节点焊接均在车间完成, 在单元与单元的拼接点用高强螺栓拼装形成整体的钢网格式框架墙体。如图 4 所示钢网格式框架墙体网格单元划分图, 黑点为网格单元的拼装点。1.3 多层大跨度装配式混合型空间钢网格盒式结构将整个钢结构体系单元化后, 先安装第一层钢网格式框架, 再安装混合型钢网格楼盖, 形成第一层混合型空间钢网格盒式结构, 上面各层依次按第一层工法实施, 柱与柱和梁与梁的拼装点均采用
12、高强螺栓等强连接, 从而形成“多层大跨度装配式混合型空间钢网格盒式结构”。2 拟建工程概况本拟建工程为一五层钢结构, 建筑平面由盒式结构 (主体结构) 和框架结构两部分矩形平面组成。主体部分采用装配式混合型空间钢网格盒式结构 (即该部分楼盖采用混合型楼盖) , 其它部分采用钢框架结构。本工程位于云南省昆明市, 抗震设防烈度为 8 度, 设计基本地震加速度为 0.2 g, 设计地震分组为第三组, 根据该场地地质勘察报告, 建筑场地类别为类, 场地粗糙度为 B 类, 基本风压为 0.35 k N/m, 楼面恒荷载为 2 k N/m (不包括空腹楼盖自重) , 楼面活荷载为 5 k N/m, 特征周
13、期 Tg=0.45 s, 水平地震影响系数最大值为 0.16, 结构阻尼比为 3.5%, 周期折减系数为 1。钢材选用 Q345钢, 梁、柱、楼面及屋面混凝土板均采用 C30 混凝土, 钢筋采用 HRB400。3 计算模型的建立盒式结构作为一种新型结构, 其竖向体系的墙架密柱和横向层间梁可通过现行软件按实际模型输入, 而横向体系的空腹夹层板的构造是由交叉网格组成的空间结构, 现行软件无法做到精确模拟, 可采用实用简化分析方法78, 按照抗弯刚度等效的原则采用折算过的工字形截面来等效模拟空腹楼盖的上、下 T形截面, 即按两者高度不变、抗弯刚度相等进行等代折算。分析表明, 这种方法相对于有限元分析
14、方法有更多的安全储备, 且已经广泛应用于实际工程设计。主要构件的参数如表 1 所示:表 1 主要构件截面尺寸 (单位:mm) 下载原表 该工程盒式结构部分长边 Lx=153=45 m, 短边 (跨度边) L y=43+4=16 m (由此可看出长短边无公约数) , 板厚为 80 mm, 框架结构部分尺寸为 19.6 m10.5 m, 板厚为 120 mm, 层高均为 4.2 m。盒式结构平面布置图 (第一层) 和整体模型轴测图分别见图 5 和图 6。第一层 X 向设置一道层间梁, 自上而下的网格高度为 1.6 m, Y 向设置两道层间梁, 自上而下的网格高度依次为 0.9 m、3 m, 除第一
15、层外其它各层 X、Y 方向均设置两道层间梁, 自上而下的网格高度依次为 0.9 m、3 m。图 5 盒式结构平面布置图 下载原图4 力学性能分析结果根据抗震规范9基于振型分解反应谱法采用 SATWE 程序对结构进行多遇地震作用下的计算。图 6 盒式结构整体模型轴测图 下载原图表 2 结构自振周期计算结果 下载原表 4.1 自振周期及模态由表 2 可知第一周期为 Y 向平动, 第二周期为 X 向平动, 第三周期为扭转。扭转周期和第一周期之比:0.898/1.296=0.6930.9, 满足抗震规范要求。图 7 盒式结构前三阶振型图 下载原图4.2 层间位移角和位移比表 3 结构层间位移角和位移比
16、 下载原表 本结构属于多层钢结构, 根据抗震规范规定, 采用 1/250 为位移角限值来严格控制其抗震变形, X、Y 向最大位移角均满足规范要求。位移比均小于 1.5, 满足规范要求。4.3 承载力之比表 4 结构承载力之比 下载原表 X 方向最小楼层抗剪承载力之比:0.96。Y 方向最小楼层抗剪承载力之比:0.89。受剪承载力 X、Y 方向均不小于相邻层的 65%, 满足抗震规范要求。5 结语本文针对该新型结构体系在多层建筑中的应用, 基于振型分解反应谱法采用SATWE 程序对该结构进行了多遇地震作用下的计算, 可得出如下结论。(1) 由振型图可看出该结构前两阶振型均为平动, 结构整体性很强
17、, 而不是常规的单根杆件在振动, 说明平面布置基本对称, 比较合理, 结构整体性强, 三维受力。(2) 由结构的位移角和位移比 (小于 1.2) 可看出结构的抗扭能力和抗变形能力较好, 抗侧刚度优越。由承载力之比 (不小于相邻层 80%) 可看出结构不存在楼层承载力突变。(3) 该新型钢网格盒式结构在多遇地震作用下构件基本处于弹性状态, 对于柱网已定的窄长形平面建筑工程有广泛的推广价值。参考文献1马克俭, 张华刚, 郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践M.北京:中国建筑工业出版社, 2006. 2马克俭.装配整体式平板型或曲面型钢空腹网格结构:中国200720201111.4P.2008-10
18、-08. 3马克俭, 高国富, 张华刚, 等.空间网格式框架结构在多、高层大开间灵活划分房间石膏节能建筑中的研究与应用综述J.空间结构, 2009, 15 (3) :66-84. 4马克俭.装配整体式正交斜放空间钢网格盒式结构新型实施方法:中国, 201610174890.7P.2016-12-07. 5马克俭.大跨度装配式混合型钢空腹夹层板楼盖及制作方法:中国, 201710005411.3P.2017-05-17. 6马克俭.多层大跨度装配式混合型钢网格盒式结构及制作方法:中国, 201710005345.XP.2017-05-17. 7DB 22/48-2005 钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构技术规程S.贵阳:贵州省建设厅, 2005. 8张华刚, 胡岚, 马克俭.空腹夹层板的静力性能分析及其实用分析方法J.2006, (03) :82-87. 9GB 50011-2010 建筑抗震设计规范S.北京:中国建筑工业出版社, 2010.
