深圳书城湾区城大跨屋盖结构分析与设计

深圳书城湾区城大跨屋盖结构分析与设计

王红

筑博设计股份有限公司  广东 深圳 518000

摘要：本文分析了深圳书城湾区城项目61.5米大跨屋盖的结构设计，该屋盖采用变截面箱型钢梁、钢管柱及抗震支座；本项目验算了在重力、地震、风、温度和偶然荷载等作用下结构的承载力和变形能力，以确保结构安全性；进行楼板应力分析，对应力集中位置采取设置后浇带及加强板配筋等方式提高楼板的抗裂能力；进行楼板舒适度及振动分析，设置12套TMD装置减少楼板的振动，提高楼板的舒适度；采用有限元分析方法对斜柱节点进行分析，以保证节点连接的可靠性；对柱脚节点、支座节点等进行合理设计，更好实现荷载传递，提高抗震性能，并在设计中对钢结构防腐防火给予足够重视；选择合理的安装工序并进行施工模拟验算，确保施工的安全性及效率。本项目通过对大跨结构综合的分析及采取合理的构造措施，保证了结构的安全性、经济性和舒适性。

关键词：大跨屋盖；变形；温度效应；节点分析；楼板舒适度；施工模拟；

前言：深圳书城湾区城项目位于深圳市宝安中心区，为了保证海天路能够在用地间畅通无阻，采用大跨屋盖方案，屋盖全长80.1m，宽度32.75m，大跨位置柱中心距61.5m。项目采用两根钢管斜柱合一的做法，钢柱外直径960mm，厚度40mm，采用箱型变宽度变高度截面钢梁，中间两跨跨中处梁截面□2200X2000X30X80，支座处梁截面□1500X1500X30X80，钢梁钢柱间采用抗震支座连接。选用Q420B钢材以减小大跨箱型钢梁截面尺寸，其余普通钢梁及钢柱采用Q355B钢材。为方便施工，采用120mm厚钢筋桁架楼承板，结构找坡。

屋盖抗震设防类别为丙类，设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0. 1g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。钢结构抗震等级为三级。基本风压0. 75kN/㎡，地面粗糙度A类。

图 1 大跨屋盖结构平面布置图

图 2 大跨屋盖立面图

一、结构分析

1. 承载能力分析

本项目对大跨屋盖在重力、小震及风荷载等多重作用下的承载能力进行分析，将大跨钢梁及钢柱的应力比控制在0.8以下，确保其具有充足的承载能力。

按中震抗弯弹性，抗剪弹性的性能目标进行分析，钢柱及大跨钢梁应力比均小于1，满足中震性能化设计要求。

因屋盖横跨海天路，为避免在爆炸及汽车撞击等偶然荷载作用下对建筑物带来严重的破坏，本项目对结构在受到撞击或爆炸荷载时的响应进行分析和评估，爆炸水平荷载参考高规取80kN/㎡，汽车的撞击荷载按规范取标准值333kN。经计算分析，柱应力比均不大于0.6，有足够的安全富余度，能确保在受到偶然荷载作用时结构的安全性。

屋盖在设计和施工过程中，需要考虑温度效应的影响，本项目按最低气温8度，最高气温35度，正负温差27度进行温度效应分析，经计算，钢结构应力比均不超过0.8，满足构件承载力要求。

2. 变形能力分析

本项目对大跨屋盖在地震及风荷载作用下的变形进行分析，结果表明，结构在小震下最大位移角1/1846，大震下最大位移角1/192，均满足规范要求。风荷载按均布活荷载施加到构件上，因结构开敞，风荷载作用下的位移较小。

图 3 地震下位移角

大跨钢梁挠度约为1/167L(L为梁跨度)，按1/200L起拱，减少钢梁跨中变形。受大跨度钢梁影响，悬挑梁两端会出现翘曲情况，两端悬挑梁采用反拱方式，减少翘曲变形的影响。另外，采取先浇注两侧楼板、再浇注中间楼盖，覆土也是从两侧往中间施工等措施，减少钢梁变形的不利影响。

3. 时程分析

取5条天然波和2条人工波，比较地震波的反应谱与规范谱的关系；采用盈建科软件对结构进行小震弹性时程分析，比较其反应峰值与振型分解反应谱分析结果的关系，检验该分析结果是否满足《抗震规范》第5.1.2条的要求，以确定地震波时程分析结果的有效性。比较时程分析得到的层剪力，进一步验证结构的整体性能指标符合设计规范的要求和结构抗震概念设计的原则。

图 4 弹性时程与反应谱对比

结果表明：弹性时程分析基底剪力平均值在X向和Y向均不小于振型分解反应谱法所得基底剪力的80%，七条波作用下的基底剪力均不小于CQC 法所求剪力的65%，所选地震波均满足规范要求；多条波包络值与CQC法计算结果比较，多波包络值不能包络时程分析结果，按照放大系数1.2倍调整反应谱地震作用。反应谱分析结果可以作为结构设计的依据。

4. 楼板应力分析

进行楼板应力分析，支座位置楼板存在应力集中情况，在此设置后浇带，并加强楼板配筋，减小楼板的应力并提高其抗裂能力。

图 5 楼板应力分析

5. 楼板舒适度分析

对屋盖进行楼板舒适度分析，经计算，各工况下最大振动加速度级昼间最大81.1dB，夜间最大74.0dB，高于《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及测量方法标准》的规定，需考虑采取振动控制措施。确定楼板振动的不利区域，在不利节点分别输入不同频率的人行激励荷载，同时考虑地铁竖向振动，求出加速度的最大响应。

图 6  楼板振动不利节点

图 7 行走激励

节点最大竖向峰值加速度为0.517m/s² ，不满足《建筑楼盖振动舒适度技术标准》规范要求的0.500m/s²的限值，需考虑采取隔振减振的措施，通过设置12套TMD装置的振动控制方案，所选不利节点最大竖向峰值加速度减小至0.394m/s²，满足规范限值要求，最大振动加速度级也减小，人行激励和地铁振动同时对结构的影响得到有效控制。

二、节点设计及分析

节点设计和分析是钢结构设计的重难点，在支座节点的抗震设计中，需要综合考虑节点的承载能力、稳定性、位移控制等因素。本项目两斜柱相交成椭圆形钢管柱，通过设置加劲肋加强节点的连接，钢柱上设置竖向承载力20000kN抗震支座支撑箱型钢梁并采用限位钢板对位移进行合理控制，减少钢梁坠落的风险。

图 8 支座节点设计

本项目取拟弹性大震下支座力N=17000kN，极限位移20mm，偏心弯矩2040kN.m。分析结果表明，在大震拟弹性作用下，支座节点的最大正应力为253MPa，支座节点的最大剪应力为50.1MPa，均满足地震弹性目标，节点在大震下仍能保持较好的强度、稳定性及耐震性能。

                     图 9  大震下节点正应力           图 10  大震下节点剪应力         

三、防腐防火设计

钢结构防腐采用80μm厚环氧富锌底漆1遍，160μm环氧云铁中间漆1遍，40μm丙烯酸聚硅氧烷面漆两遍。本工程耐火等级一级，柱耐火极限3小时，梁耐火极限2小时，组合楼盖自防火。

四、施工方案及施工模拟

根据海天路上盖钢结构的结构特点及现场施工条件，拟采用“主箱梁高空分段拼装+滑移”施工方案。整体安装顺序依次为支撑胎架搭设、主箱梁拼装、次梁安装、钢结构滑移就位，剩余结构原位安装。

图 11 安装钢柱及搭设支撑胎架及滑移轨道              图 12 主箱梁拼装

图13安装次梁图14钢结构焊接及检测

大跨钢结构的施工需要模拟以便预测和解决施工过程中可能出现的变形、应力集中、节点连接等问题。本项目采用有限元分析方法，模拟屋盖施工过程中在不同荷载和边界条件下的行为。

结果表明：施工工况最大竖向变形171mm，最大支座反力3120kN，滑移工况最大支座反力2000kN，钢梁杆件应力比均小于0.5，均满足设计及施工要求。

图 15  竖向变形云图（单位mm）

结语：

(1)大跨结构钢梁的变形通常较大，采用起拱的方式可减小钢结构变形并减小对建筑使用功能的影响。

(2)大跨结构往往存在振动的问题，而因本项目近地铁，受振动影响更为明显，通过设置12套TMD装置减少楼板的振动，提高舒适度。

(3)采用有限元分析方法对斜柱节点进行分析，节点满足承载力、稳定、变形的要求，结构的可靠性有较好的保障。

(4)大跨屋盖的施工也是设计重点，通过选择合理的安装工序并进行施工模拟验算，确保最不利施工工况下结构各项指标满足规范要求，保证施工期间的安全性。

参考文献：

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[2]王军辉， 高仲学， 葛卫春， 程先春， 王青伟.某大跨试验厅结构设计与屋盖施工分析[A].建筑结构,2019(49)

[3]施丹炜.某室内主题乐园重载大跨屋盖结构设计[A].建筑结构,2021(51)