1、大跨钢结构空腹夹层板楼盖设计 王越 栾焕强 于连秋 杨再烨 王海 张锴 黑龙江省建设集团建筑设计研究院有限公司 中铁十五局集团有限公司 哈尔滨生活汇长富房地产开发有限公司 摘 要： 钢结构空腹夹层板楼盖是基于多层大跨钢结构的一种新型空间网格结构体系。这种新型空间网格结构体系是由上肋、下肋和上下肋之间设置的剪力键组成。本文通过哈尔滨武源小区商业广场屋面大跨钢结构空腹夹层板楼盖结构的设计和分析, 介绍了钢结构空腹夹层板楼盖的实用计算方法, 以及主要构件和节点的设计要点。设计同时采用 MIDAS/Gen 有限元分析软件进行建模分析, 验证了采用实用计算方法进行钢结构空腹夹层板屋盖设计的可靠性。本文还
2、对钢结构空腹夹层板楼盖结构的自振特性和舒适度进行了分析。分析结果表明大跨钢结构空腹夹层板楼盖体系安全、可靠, 满足舒适性要求。关键词： 空腹夹层板; 大跨钢结构; 结构分析与设计; 舒适度; 新型空间网格结构; 作者简介：王越, 硕士, 高级工程师, 总工程师, 加拿大注册工程师 APEGA, Email:。Structural design for large-span steel open-web sandwich slabWang Yue Luan Huanqiang Yu Lianqiu Yang Zaiye Wang Hai Zhang Kai HCGC Building Desig
3、n China Railway 15 Bureau Group Co., Ltd.; Harbin SHH CHANGFU Real Estate Co., Ltd.; Abstract： Steel open-web sandwich slab structure is a new space griding structure system based on large-span steel structures.The structural system is composed of top and bottom chords and shear keys between them.Th
4、rough the analysis and design of the steel open-web sandwich slab structure adopted in the roof for the Commercial Plaza in Harbin WUYUAN Residence Community, a practical design method for the steel open-web sandwich slab and main components and details was introduced.Modeling and analysis was perfo
5、rmed by MIDAS/Gen to verify the practical design method.Natural vibration characteristics and comfortableness of steel open-web sandwich slab structure were analyzed using MIDAs/Gen finite element analysis software.The analysis results show that steel open-web sandwich slab structures meet the requi
6、rements with safety, reliability and comfortableness.Keyword： open-web sandwich slab; large-span steel structure; structural analysis and design; comfortableness; new space griding structure; 1 工程概况本工程为哈尔滨生活汇长富房地产开发有限公司开发的哈尔滨道外武源小区棚改项目 C 区商业广场。项目位于哈尔滨市宏图街、南直路、大有坊街、武源街合围区域。商业广场共五层, 地上二层, 地下三层。其中地下二、三
7、层为停车场, 地下一层、地上一、二层为商业广场。建筑面积 72000m, 建筑地上一层高度为 5.4m, 二层高度为 3.2m。主体为钢筋混凝土框架结构, 顶层屋面采用钢结构空腹夹层板楼盖, 最大柱距 15m。结构使用年限为 50 年, 抗震设防烈度为 6度, 结构重要性系数为 1.0。场地类别为类, 地面粗糙度 B 类, 耐火等级为一级。图 1 为建筑效果图, 图 2 为建筑平面图, 图 3、图 4 为建筑剖面图。图 1 建筑效果图 下载原图图 2 建筑平面图 下载原图图 3 建筑剖面 下载原图图 4 建筑剖面 下载原图2 结构分析与设计2.1 结构设计方案的确定商业广场顶层屋面为上人屋面
8、(步行街) 。屋面结构不仅跨度大、荷载大、楼层净高要求高、施工工期短, 而且平面布置椭圆形共享空间、连廊造型复杂。采用钢筋混凝土结构梁截面高, 施工难度大。传统钢结构施工方便, 但实腹钢梁梁高依然较大, 有管道、风道通过腹板时, 腹板需要开洞。针对上述存在的问题, 本设计选用钢结构空腹夹层板楼盖体系。贵州大学马克俭院士在 1998 年提出的新型空间网格结构体系钢筋混凝土空腹夹层板楼盖体系多年来得到了广泛的应用1-3, 尤其是多层大跨结构。钢筋混凝土空腹夹层板结构将网架结构高度降低, 加大竖杆截面尺寸, 使竖杆高度与宽度之比 h0/b1 形成块体单元作为剪力键。上、下肋由剪力键相连, 通过增加剪
9、力键抗剪刚度来弥补由于高度降低导致的结构抗弯刚度减小的不足1。钢结构空腹夹层板楼盖与钢筋混凝土空腹夹层板楼盖力学模型相同、构造形式相似, 两者仅材料特性不同, 即弹性模量 (E s、E c) 不同。根据这个基本原理, 钢筋混凝土空腹夹层板的实用计算方法及有限元分析方法完全适用于钢结构空腹夹层楼盖。与钢筋混凝土结构相比, 钢结构具有强度高、延性好、截面小、自重轻、构造明确、工艺简单、施工方便、质量易保证、可采用装配式安装、施工进度快等优点。钢结构空腹夹层板上、下肋及剪力键间空腹处可以通过空调管道及水电管线等, 增加楼层净高 200300mm。而且结构形式美观大方, 还可以节省室内顶面装修费用。钢
10、结构空腹夹层板的楼板, 采用空间桁架楼承板, 楼板用栓钉与钢梁连接, 每个网格形成连续双向板, 以增加钢结构空腹夹层板楼盖的平面刚度, 减少剪切变形。施工阶段, 楼承板兼做模板使用, 施工时不用支模、拆模, 大大节约施工成本。2.2 结构布置屋面平面布置不规则区域采用普通钢框架主次梁结构, 规则区域采用正交正放钢结构空腹夹层板楼盖。根据柱网尺寸 15m14.7m, 梁网格尺寸取为2.5m2.45m。钢梁布置图参见图 5、图 6 及表 1。空腹框架梁梁高为 800mm, 其中上下肋截面均为 H3003501621, 空腹高度为 200mm。空腹框架梁柱节点及剪力和弯矩较大处仍采用实腹梁。本设计梁
11、柱节点设置了钢斜撑, 以减小梁跨度、减小弯矩。剪力键采用截面为40040014 的方钢管。交叉网格梁处梁高为 700mm, 其中上、下肋HW200200, 空腹高 300mm, 在剪力及弯矩较大处, 仍采用钢结构实腹梁, 剪力键采用截面为 25025012 的方钢管。钢结构空腹夹层板构造轴测图见图 7, 节点构造见图 8。楼板采用钢筋混凝土空间桁架楼承板, 板厚 100mm, 配筋构造见图 9。材料:上下肋采用 Q345B, 钢板 Q235B, 楼板钢筋为 HRB400, 楼板混凝土强度等级为 C30。表 1 钢梁详情 下载原表 图 5 钢梁布置图 下载原图图 7 空腹夹层板轴测图 下载原图图
12、 8 节点图 下载原图图 6 梁网格布置 下载原图图 9 空间桁架楼承板配筋示意 下载原图2.3 结构设计钢结构空腹夹层板设计采用实用计算方法, 即不考虑钢筋混凝土楼板对刚度的贡献, 按照刚度等效原则将空腹梁折算成正交实腹梁, 采用中国 PKPM 以及 YJK软件进行结构内力和挠度计算。空腹梁等效原则包括:抗弯刚度相同、截面高度相同、翼缘及腹板厚度相同。荷载输入时恒载按截面折算前后荷载差输入, 等效实腹梁自重由设计软件自动生成。本设计折算前后实腹梁与空腹梁 (包括剪力键、楼板) 的自重相差 8.63k N/m, 活荷载取 3.5k N/m, 实腹梁按实际截面输入。分别采用 PKPM/SATWE
13、 和YJK 软件进行计算。挠度验算时需要考虑空腹夹层板剪切变形影响, 跨中最大弹性挠度除以 0.65 作为计算挠度。计算结果:强度:等效交叉结构梁最大应力比为 0.9;挠度:主梁计算挠度 33.55mm, 为跨度的 1/454。交叉次梁计算挠度 27mm, 为跨度的 1/361;满足钢结构规范 1/400 和 1/250 要求。设计要求施工安装时按梁跨 2/1000 起拱。3 主要构件及节点设计3.1 上下肋设计钢结构空腹夹层板的上、下肋均存在局部弯矩, 因此上下肋均应按偏心受力构件进行验算。按正交梁计算出楼盖内力后, 可按下式计算上、下肋的轴向轴力和剪力:上、下肋的剪力设计值为:上、下肋的轴
14、力设计值为:式中:N 为上、下肋轴力设计值;M l为上、下肋剪力设计值-等代梁计算弯矩设计值, 取网格梁段上的最大弯矩;V l为等代梁计算剪力设计值;h 0为空腹夹层板计算高度, 即上下肋中心距。由于局部弯矩的存在, 按轴心受力构件计算所需面积增大 20%, 能够保证结构安全。梁柱节点处实腹梁则按照普通钢结构梁进行截面设计。计算结果:空腹框架梁:弯矩 Ml=1500k Nm, 空腹梁轴心距离 500mm, 轴心压力:N=1500/0.51.2=3600k N;空腹梁:弯矩 Ml=350k Nm, 空腹梁轴心距离 500mm, 轴心压力:N=350/0.51.2=840k N。3.2 剪力键设计
15、由于剪力键弯曲变形很小, 基本可忽略, 故剪力键可按纯剪构件计算其承载力, 其承担的剪力为剪力键间上下肋轴力差中较大值 N。剪力键所能承担的轴力差为:式中:I 为毛截面惯性矩;t w为腹板厚度;f v为钢材抗剪强度;S 为计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩。本设计剪力键所能承担的拉力差为 1440k N, 再由式 (2) 求得相应的所能承担的弯矩差为 720k Nm。根据楼盖弯矩包络图, 可以算出剪力键两侧节间弯矩差值, 设置相应尺寸的剪力键, 同理, 可算出其他截面尺寸的剪力键所能承担的弯矩差, 再根据楼盖弯矩包络图进行剪力键设置。图 10 为钢结构空腹夹层板安装现场图片。图 1 0 现
16、场图片 下载原图4 有限元分析为了检验钢结构空腹夹层板楼盖实用计算方法设计的可靠性、准确性, 本设计采用 MIDAS/Gen 有限元分析软件, 根据实用设计方法的结果, 实际建模进行有限元分析。图 11 为有限元应力分析结果。钢结构空腹夹层板楼盖构件最大应力比为 0.9, 大多数杆件应力比处于 0.50.7 之间。可见按实用计算方法设计, 结构强度有较高的安全储备。图 1 1 MIDAS/Gen 分析应力比 下载原图挠度计算结果显示, 空腹框梁最大挠度为 35.4mm, 空腹梁最大挠度为 32.3mm, 与实用计算方法结果基本一致。5 楼盖舒适度分析5.1 舒适度控制标准钢结构空腹夹层板总高度
17、比普通钢结构梁高降低 10%15%, 而且自重较轻, 因此舒适度验算对于钢结构空腹夹层板楼盖尤为重要。目前对楼盖舒适度评价标准主要有楼盖自振频率控制标准和竖向加速度控制标准:(1) 楼盖自振频率控制标准混凝土结构设计规范 (GB 500102010) 、高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ 32010) 均规定大跨度公共建筑楼盖自振频率不低于 3Hz;组合楼板设计与施工规范 (CECS273:2010) 规定组合楼盖当自振频率3Hz 时, 楼盖自振频率过低, 周期过长, 会产生不舒适感。(2) 楼盖竖向加速度控制标准采用频率控制作为舒适度的评价标准, 由于未考虑结构的参与质量、阻尼比, 以及人
18、员的活动和激励情况等因素, 具有很大的局限性, 因此采用楼盖竖向加速度标准作为舒适度评价标准已经成为发展趋势。高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ 32010) 规定住宅、办公、商业建筑楼盖竖向振动加速度不得超过表 2 的限值。表 2 楼盖竖向振动加速度限值 (cm/s) 下载原表 5.2 人的两种主要活动激励模型(1) 连续行走模型Allen 和 Rainer4对单人和多人连续行走产生的动力荷载进行了测试, 认为行走产生的动力荷载曲线模型可以用图 12 (a) 表示, 函数表达式为式:式中:F (t) 为人的活动对楼面产生的振动荷载;G 为人的体重 (通常取 0.7k N) ; n为第 n
19、阶谐振频率动力因子;f p为行走频率;t 为行走时间; n为简谐振动相位角。(2) 竖向跳跃激励模型人的跳跃活动对楼盖的冲击力曲线可近似地采用正弦曲线模拟, 将连续跳跃数学模型进行归一化处理的曲线, 如图 12 (b) 所示。图 1 2 人的两种活动激励模型 下载原图5.3 舒适度分析(1) 分析工况定义当人的活动激励频率与楼盖竖向自振频率相同或为整数倍时, 楼盖振动能量最大, 因此取第一阶自振频率 4.56Hz 作为人的活动激励频率, 对楼盖进行时程分析, 采用的荷载函数不少于五个周期。考虑结构实际使用功能, 楼盖上以步行、跳跃激励为主, 并且以通过低阶振型中心的激励方式最为不利。本文考虑两
20、种最不利工况进行时程分析, 工况一:沿通过楼盖中心的行走路线施加人行激励荷载, 考虑 10 人同相位、同频率地通过楼盖中心, 人的平均重量取0.70k N, 步距 0.75m, 频率 3.32Hz;工况二:5 人同时在楼盖中心点 O 进行连续跳跃, 跳跃频率 4.56Hz。人的重量取 0.7k N, 动力系数取 1.5。(2) 舒适度评价图 13 (a) 为中间测点加速度时程曲线, 其行走路线分别为沿纵向跨中方向, 加速度峰值基本处于行走时间中间处, 其峰值为 62.5mm/s。图 13 (b) 为中间测点加速度时程曲线, 分别对应在测点 3 处单人原地踏步 10s, 在中间测点的定点激励工况
21、。加速度时程曲线较为平稳、饱满, 停止激励后加速度衰减较快, 最大加速度为 107.2mm/s, 远小于高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ32010) (203mm/s) 规定的限值, 也远小于美国 ATC 指南 (227mm/s) 规定的限值。楼盖舒适度满足规范要求。图 1 3 加速度时程曲线 下载原图6 结论本文通过对哈尔滨武源小区商业广场钢结构空腹夹层板屋面的设计实例, 介绍了新型空间网格结构钢结构空腹夹层板楼盖的实用计算方法。计算分析结果表明:(1) 钢结构空腹夹层板楼盖这种新型空间网格结构体系。在大跨多层结构体系中在有着很多优越性:经济合理、满足建筑净高要求、美观、施工工艺简单、适
22、用于装配式施工, 符合我国当前建筑产业化的发展方向。(2) 钢结构空腹夹层板楼盖实用计算方法安全、可靠。(3) 钢结构空腹夹层板楼盖满足强度、变形及舒适度的要求。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:交通出版社, 2006. 2钢筋混凝土空间网格结构空腹夹层板楼盖技术规程:DB 23/T 15392014S.黑龙江省住房和城乡建设厅发布, 2014. 3栾焕强, 陈志朋, 陈志华.大跨度钢筋混凝土楼盖力学性能与经济性分析J.建筑结构, 2014, 44 (17) :40-45. 4KERR S C, BISHO PN W M.Human induced loading on flexible staircasesJ.Engineering Structure, 2001, (23) :37-45.
