某超限高层顶部大空间网架屋盖设计.pdf

第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 某超限高层顶部大空间网架屋盖设计 黄锐金建民 甘肃省建筑设计研究院兰州7 3 ∞3 0 [ 摘要】本文介绍了兰州国芳大酒店超限高层顶部旋转餐厅的大空间网架屋盖的结构设计，包括局部三层网架的选型、 布置、计算分析要点等，可供同类工程设计时参考。 [ 关键词] 超限高层网架屋盖支承约束刚度动力特性 1 工程概况 兰州国芳大酒店位于兰州市东方红广场，是兰州国际博览中心二期工程，为一五星级酒店兼商务写 字楼的大型超高层公共建筑，总建筑面积约9 万m 2 ，由防震缝分为主楼和裙楼两部分。其中裙楼地下 2 层，地上9 层，房屋高度4 3 ．4 米，主楼地下3 层，地上3 9 层，房屋高度1 4 4 m ，另出屋面设有3 层塔 楼，建筑总高为1 6 1 ．9 m ，是兰州市中心繁华区内最高的一座建筑。该工程设计于2 0 0 0 年，2 0 0 6 年完工， 抗震设防烈度为8 度，采用现浇钢筋混凝土筒中筒结构，属高度超出8 9 规范规定较多的超限高层建筑， 按当时建设部5 9 号令的要求，先后通过了全国和甘肃省超限高层建筑抗震设防审查委员会对初设和施 工图的抗震设防专项审查。文[ 1 】和[ 2 】分别对其总体结构设计和预应力楼盖设计做了详细介绍，本文将 着重介绍其顶部旋转餐厅的网架屋盖设计。 主楼顶层 3 9 层 为带夹层的旋转餐厅，层高1 0 米，外圆半径2 6 ．6 m ，长边悬挑8m ，由于建筑 功能的要求，需在该层形成大空间和周边宽阔的视野，因而下部筒中筒结构 见图1 的外筒柱和剪力 墙在3 9 层楼面处截止，餐厅屋盖的外边竖向支承构件由在下部剪力墙部位另设的8 根柱组成，内边由 在3 9 层楼面梁上支托的一圈圆柱组成。根据抗震设防的需要，对屋盖外圈8 根柱采用1 1 0 0 【1 1 0 0 咖的 型钢混凝土柱，以加强其承载力和延性；3 9 层楼面梁跨度1 2 m ，悬挑8 m ，且有局部转换梁的作用，支 托的圆柱承受着上部屋盖及塔楼共5 层的荷载，受力较大，因而采用6 5 0 x 1 4 0 0 I l 姗型钢混凝土梁；旋 转餐厅屋盖为环状结构，外环支承和内环支承的间距9 ．8 m ，外环为8 点柱支承，最大柱距3 4 ．5 m ，受 力较大且受力状态较复杂，为减轻屋盖自重，减小地震作用，内外环间采用网架结构，轻质金属屋面。 图2 为3 9 层楼面结构布置平面，图3 为3 9 层屋面结构布置图，图4 为旋转餐厅局部剖面。 2 网架选型 2 ．1 平面形式 旋转餐厅网架为高层结构的屋面，需要协调在水平作用下外围柱和剪力墙内筒间的变形，所以采用 平面内刚度较好的平板四角锥网架，环形辐射状布置，仅在室外观光梯和核心筒的连廊处局部断开。 黄锐，男，1 9 7 0 ．1 l 出生，一级注册结构工程师 ．1 8 7 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 L 遗 蔓相毫藿枉 0＼ 垂 { j 搴 ／ t j t 。 i 2 L L _ 厂一 参上 j r 一一 j ＼ ／ i 八 一 YY D 图1标准层结构玮置平面 、、、／／／ 扣上团五匾丑q 图33 9 层屋面结构布置图 2 ．2 支承方式 网架在外环为8 个柱上点支承，内环支承可以有两种方式1 圆柱上伸出牛腿，在牛腿部位采用 点支承，支座设置在圆柱牛腿上；2 圆柱上伸出牛腿，牛腿上做边梁，采用边支承，每个节点上均设 置支座，支座设置在边梁上 图3 。以上两种方案各有利弊，第一种方案的支座少，屋盖竖向荷载传 力不通过边梁，相对直接，但支座在竖向和水平荷载作用下的内力较大，且由于边柱不等距，支座处杆 件需要局部调整位置方能搁置在牛腿上，杆件类型多，美观性差；第二种方案支座多，但支座受力小， 可靠性好，网格规整美观。考虑到由于屋盖位置较高，水平地震作用和风荷载较大，且均需要通过内环 支座传递到内筒，因而要求支座变形小，有更高的可靠性，超静定次数多，不能因为个别支座的变形大 而对屋盖的竖向承载力有过大影响，所以内环支座支承方式选用第二种边支承方案。 网架的支承有上弦和下弦支承两种方式，本工程根据具体情况对内外采用不同的方案。内环采取受 力合理的上弦支承；在外环点支承部位，为方便下部幕墙的安装、封边构造以及腹杆和柱不相碰，采用 下弦支承。 网架支座采用固定铰支座。 2 ．3 网格尺寸和高度 在网架的荷载和支承情况确定的条件下，跨度成为影响网格尺寸和高度的关键因素，该网架为环形 ．1 8 8 ． o 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 辐射状布置，内环为边支承，外环为点支承，内外环间距9 ．8 m ，外环最大柱距3 4 ．5 m ， 不能仅简单定为9 ．8 m 或3 4 ．5 m ，需综合考虑，但总体来说，外环柱距起控制作用。 考虑到跨度、平面内刚度以及檩条和屋面彩板的规格等因素，通过多次计算和调整， 在外环处取3 ．2 m 左右，内环处取2 ．6 m 左右。 因而网架跨度 网格平面尺寸 对于网架的高度，初期考虑采用等厚度的平板网架，由于建筑总高度和旋转餐厅净高的限制，网架 厚度仅有1 ．6 m ，计算结果显示网架挠度偏大，外环柱间中点最大挠度在荷载标准值组合下达到1 5 0 m m 图5 中K 点 。此处需要首先讨论计算该网架容许挠度值L ／2 5 0 时跨度L 的取值问题，由于环形网架 的平面形状特殊，存在内外环径向跨度9 ．8 m 和外环环向柱距3 4 ．5 m 两个跨度，基于规范中对于挠度的 限制主要是从视觉的角度做的规定，从这一原则出发，该网架应从径向和环向分别考虑挠度要求。对于 环向3 4 ．5 m 的柱距，跨中容许挠度值L ／2 5 0 为1 3 8 m m 如图5 中K 点 ；对于径向，根据计算结果， 内环支座处为0 ，由内向外按挠曲线特点逐渐变大，外环柱间跨中也是其最大挠度值部位 如图5 中K 点 ，K 点相当于径向跨中点，因而其跨度应按9 ．8 m 的两倍取值，类似于计算悬臂梁容许挠度时计算跨 度按实际悬臂长度的2 倍取用的原理，则K 点的容许挠度值L ／2 5 0 应为7 8 ．4 m m 。以上两个方向的最大 值均在K 点，所以K 点按规范要求的最大挠度值不应大于7 8 ．4 I n m 。另外，网架外环下部设置有玻璃幕 墙，网架最大挠度部位也处于幕墙位置，幕墙顶端需设置特殊装置适应网架挠度变形的要求，但如果网 架挠度太大，则会严重影响幕墙的安装和使用，幕墙设计和安装单位要求荷载标准值组合下挠度值不大 于5 0 m m ，可变荷载标准值产生的挠度值不大于3 0 m m 。 根据以上挠度要求，网架高度即使增加到2 ．5 m 时也不能满足，经过分析发现，网架杆件内力在大 部分区域并不大，杆件直径多为构造尺寸，仅在外环3 m 范围内较大，类似于柱上板带，一味增加整片 网架高度只能使少量杆件直径减小，意义不大，同时反而使总体用钢量增加，按这种思路调整显得很不 合理，而且使用功能要求也不容许过多增加网架高度，因此根据该网架受力特点，参考飞机库网架三边 支承一边开口时其开口边采取增加网架层数的设计思路，在外环边局部向上增加网架层数，即外环一个 网格的范围内局部为三层网架，其余部位维持两层，如图5 剖面所示，这样相当于网架受力较大部位局 部增加肋梁，既不影响旋转餐厅净高和建筑总高度，也使网架受力合理、可靠经济。最终确定的网架高 度局部三层为3 ．2 m ，其余1 ．6 m ，此时图5 中K 点挠度在荷载标准值组合下为4 8 m m ，可变荷载标准值 产生的挠度值为2 1 m m ，均能满足要求。为做对比分析，表l 列出平板1 ．6 m 厚、3 ．2 m 厚和局部三层时 网架技术经济指标，可见局部三层网架和厚度3 ．2 m 的平板网架挠度基本相同，但含钢量却相差3 5 ％， 其主要是因为靠近内环部分的杆件受力较小，增加这部分的高度对网架在竖向荷载作用下的刚度贡献较 小，所以采用外环局部三层的网架方案应为合理方案。 另外，结合外环下弦支承的特点，在外环面内增加腹杆，形成竖直的边桁架，从构造上增加局部 三层部位的刚度。 一1 8 9 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 8 年 网架方案技术经济指标对比表表l 网架形式K 点最大挠度 n l m 用钢量 t 平板厚度1 ．6 m 1 5 03 1 ．7 4 平板厚度3 ．2 m 4 16 0 局部三层 3 ．2 m 、1 ．6 m 4 83 8 ．6 3计算分析要点 3 ．1 荷载 设计需要计入的网架荷载有竖向静载、活荷载和风荷载，同时尚应考虑地震和温度作用。 竖向静荷载包括结构自重、屋面夹心板、檩条、吊顶及设备管线重量，其中结构自重由程序自动 统计，屋面夹心板和檩条重量O ．3 k N ／m 2 ，吊项及设备管线重量0 ．3 洲m 2 。竖向活荷载取O ．5 斟／m 2 。 基本风压为0 ．3 5k 圣m n 2 ，外环的各节点受幕墙和封边板传来的水平风荷载，屋面节点受风吸力作用。 温度作用按网架可能出现的温度变化范围取2 0 0 C 。 竖向地震作用按抗震设防烈度8 度 0 ．2 9 、Ⅱ类场地计算。 3 ．2 计算软件和模型处理 网架采用专业网格程序M S T 进行单独计算，主体结构采用s A r 、ⅣE 进行分析。鉴于当时计算条件的 限制，未将网架代入整体结构进行计算，但对于二者的相互影响做偏于安全的简化处理。 本工程为平板网架，网架对主体结构的影响主要反映在对网架平面内刚度的模拟，通过大量的分析 可以认为，平板四角锥网架的平面内刚度接近于“楼板刚度无穷大”假定，但偏于安全其间，分别按“楼 板刚度无穷大”和“空楼板 不计平面内刚度 ”计算，构件配筋取二者的较大值，且主要反映在对顶 层构件的影响。 主体结构对网架的影响主要反映在对支座处约束刚度的模拟，由于网架杆件的轴向变形通过固定铰 支座受到支承结构的约束，支承部位产生相互的水平推力或拉力，该作用力会使网架内力发生一定变化， 理论上准确的计算应通过和下部结构的整体建模分析，这一问题在网架类结构计算中都存在，对于单层 独立柱支承的网架，下部结构的弹性约束影响在．M s T 等网架程序中能够比较容易的模拟，但如果下部 ．1 9 0 ． 基 。 采疆鼢 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 结构比较复杂，或为多高层结构时，用该类专业网格程序就很难计算约束的影响，一般需要采用通用有 限元程序整体计算，如P M S A P 、M D A S 等，但这类程序对网架杆件一般没有满应力优化设计功能，杆 件不能自动调整，使用上受到一定局限。况且对下部结构的刚度模拟应进行一些简化和处理，不能完全 依赖计算程序的“精确理论计算”，因为尚有以下两个问题是计算程序考虑不到的1 下部混凝土结构 并非完全弹性材料，应考虑其弹塑性刚度；2 柱顶约束变位并没有想象中那样严重，一般网架及屋面 在安装就位后才和下部结构焊接固定，因而此阶段就已完成了自重下的水平位移，自重不会对下部结构 内力产生影响。 基于以上因素，从偏于安全的角度，用M S T 进行网架计算时采用了两种支承条件假定1 不考 虑支座约束，按两向可侧移计算；2 考虑支座约束，内支座边因和核心筒相连，采用两向完全固定约 束，外支座边为独立柱，根据柱高和截面采用弹性约束，并在这种情况下计算温度作用。根据两种假定 各自的受力特点，一般第一种假定的部分弦杆内力大于第二种假定，但部分靠近支座的腹杆受支座约束 的影响其内力小于第二种假定，计算结果也反映出这一规律。 3 ．3 地震反应分析 3 ．3 ．1 计算方法 由于网架位于主体结构顶部，主体结构对网架地震反应分析有一定影响。考虑内环和下部水平抗侧 力筒体相连部位支座采用边支承，且内外环跨距较小，根据文[ 3 】的规定可不进行水平抗震验算。 对于竖向地震作用，由于下部竖向构件轴向刚度较大，一般不再考虑下部结构影响，仅独立按规范 要求进行竖向抗震验算。工程原设计采用文[ 3 】提供的简化计算方法，后又按振型分解反应谱法作了补 充计算，反应谱法的计算结果普遍大于简化计算方法，但二者对该网架杆件内力均不起控制作用。 3 ．3 ．2 动力特性 动力分析时下部支承按固定铰支座假定，振型特点准确地反映了该网架的刚度及变形分布规律， 前1 0 个振型以竖向振动为主，而且具有明显的分区特征，第l 4 振型分别以图5 中A B 、c D 、E F 和 G H 段4 个区域的独立半波振动为主，振动幅度靠近外环处最大，这4 个振型代表网架的主要地震响应， 第5 、6 振型分别为大跨A B 、E F 区段出现的独立反对称竖向振动。 4结语 1 该高层建筑顶部旋转餐厅网架形状特殊，支承形式为外环点支承，内环边支承，造成外环跨度和 受力较大，内环受力小，根据这一受力特点，采用局部外环加厚的网架布置方法，可使网架在受力和经 济性方面更加合理。 2 网架为高次超静定结构，对支座水平约束的敏感性远大于混凝土结构，设计时应充分考虑其影 响。 3 随着计算手段的提高，对网架结构进行地震作用计算时，除进行概念清楚的简化计算外，建议 补充进行反应谱法或时程分析，以便充分了解其动力特性，并可掌握网架刚度的分布特点。 参考文献 【1 】黄锐，金建民．兰州国芳大酒店筒中筒超限高层结构设计．兰州交通大学学报，2 0 0 3 ，4 ． 【2 】黄锐．兰州国芳大酒店工程预应力楼盖设计．建筑结构，2 0 0 4 ，4 ． 【3 】网架结构设计与施工规程 J G J7 - 9 ．北京中国建筑工业出版社，1 9 9 1 ． ．1 9 1 ．