浅析高空钢结构体系的设计论文

2018-07-20 钢结构

  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。

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