钢结构设计分析

摘要：本文结合工程实例， 对其结构布置、钢结构结构及幕墙与采光顶结构进行了分析。

关键词：钢结构设计 弹性分析

中图分类号：S611 文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况

某工程为办公楼，两楼之间由钢结构进行连接，便于人员往来，共18层，最顶层为电梯层。交通中心层以下为采光顶，室内结构。

幕墙顶部与采光顶结构相连，采用不同的结构体系。采光顶顶面标高50. 6m，西立面玻璃幕墙为直立面，东立面幕墙倾斜85。采光顶与交通中心13层高齐平，采用软连接形式。幕墙与采光顶均采用点式玻璃。幕墙、采光顶及交通中心钢结构三部分共同构成一个封闭的玻璃空间，在建筑内部产生高大空旷的感觉。交通中心有3层平台，正对二环路，可提供休闲空间。

2 结构布置

2. 1交通中心钢结构

交通中心高层钢结构为一独立结构，与两侧混凝土主楼之间留有抗震缝。主体结构采用框架一支撑体系，支撑布置于电梯井筒，沿东西方向布置。第1,2层支撑采用交叉撑，其余层采用单向撑。楼板采用以压型钢板为模板的现浇钢筋混凝土楼板。结构楼层共18层，在层18以上又由柱子上伸1层，形成女儿墙。

交通中心的电梯采用观光电梯。为保证观光效果，电梯井部分框架梁采取隔层抽梁的方式。电梯井柱截面为口400×20，受抽梁影响，在轴⑥，⑦处电梯井柱层间长度最大达8.55m。在层4, 7, 10，由结构主体伸出3个平台，平台支承柱从地下室顶板支起。平台柱截面为 700×24，层间长度最大达13. 0m。结构平面及3维模型图见图1, 2。钢结构钢材采用Q235 B。

平台平面布置图

非平台层平面布置图

图1交通中心楼层布置图

图2交通中心结构三维图

2. 2幕墙与采光顶

幕墙结构采用平面刚架作为主要受力体系，跨度21. 6m，刚架结构布置见图3(图中装饰用钢管不参与钢架受力)。刚架前部钢梁采用377×18钢管，与幕墙柱相连，背后有稳定索保持平面外稳定。两棍刚架之间布置次梁，次梁截面口300×150×16，在刚架与次梁之间布置龙骨以安装玻璃。刚架支座铰支于两侧混凝土主楼。

图3 幕墙刚架结构布置图

图4 采光顶弦支钢梁结构布置图

采光顶采用钢拉杆为下弦的弦支钢梁作为主要受力结构，钢梁采用377 x 18钢管，下弦拉杆采用100钢棒。钢梁跨度21. 6m，简支于两侧混凝土主楼上，结构布置见图4。两棍弦支钢梁之间布置次梁，次梁截面口300×150×16，次梁与弦支钢梁间布置龙骨以安装玻璃。钢梁顶部有纵向贯通钢梁与幕墙柱相连，钢梁下部支杆布置稳定索以保持其平面外稳定。幕墙与采光顶计算模型见图5。幕墙与采光顶连接部位布置有交叉索，以增加结构的整体稳定性。结构钢材选用Q235 B。

图5幕墙及采光顶结构三维图

3 交通中心高层钢结构结构分析

3. 1荷载

I)恒荷载:钢结构自重;楼面及作法4.8kN/m2(非机房房层)，7.0kN/m2(机房层);电梯井外玻璃幕墙:0.74kN/m2;2)活荷载:楼面活荷载2. 5kN/m2(非机房房层)，7.0kN/m2(机房层);屋面活荷载。5kN/m2;基本风压0. 5 kN/m2(根据设计要求，按百年一遇标准取值);基本雪压0.45kN/m2(根据设计要求，按百年一遇标准取值);3)抗震设防烈度8度.III类场地。

3. 2计算分析

交通中心高层钢结构与两侧混凝土主楼完全分开，根据抗震规范要求及计算情况，交通中心钢结构与两侧混凝土楼间设抗震缝700mm。由图1, 2可以看出交通中心钢结构主要受力部分为电梯井及电梯井两侧的通道，平面尺寸为8. 8m ×22.0m,高宽比较大，平面布置不规则。

采用ETABS进行结构分析，结构模型嵌固于地下室顶板。考虑种种不利因素，计算分析采用二阶弹性分析，按《钢结构设计规范》第3.2.8条规定，在每层柱顶附加假想水平力。抗震计算中考虑了双向水平地震作用的扭转效应。表1为结构周期与振型特征情况。

结构周期及振型说明表1

结构两侧受混凝土主楼遮挡，主要受东西方向风荷载作用，在采光顶以下部分不承受风荷载作用。风荷载作用下楼顶最大水平位移104. 4mm，其中在出采光顶位置的层13层间位移角最大，达到1/410.

由于自重较小，地震作用相对较小，X向地震作用下，最大层间位移角为1/836, Y向地震作用下，最大层间位移角为1/592，均满足抗震规范要求。楼顶在X向地震作用下最大水平位移为72. 3mm，在Y向地震作用下最大水平位移为73. 3mm。表2为柱最不利组合下的内力。

支承柱最不利组合内力 表2

4 幕墙与采光顶结构分析

幕墙与采光顶支承于两幢混凝土结构主楼之间，除自身荷载影响之外，还受主楼变形及支承条件的影响。根据设计要求，两幢楼之间的相对位移在大震作用下可达200mm，这就要求结构有良好的变形适应能力。

由图3可以看出，幕墙支承结构采用刚架形式，两端铰接于混凝土主楼侧边，连接两端刚性部分的钢梁为377×16钢管，刚度较小，易于变形。采光顶结构为解决这一问题，在弦支钢梁支座采用简支形式，一端与混凝土主楼铰接，一端只在竖向支承与混凝土结构上。图6为这两处支座节点示意图。

（a）

（b)

图6 采光顶弦支钢梁支座示意图

4. 1荷载

1)恒荷载:钢结构自重;玻璃自重:0. 81 kN/m2(采光顶)，0. 61 kN/m2(玻璃幕墙)。

2)活荷载:屋面活荷载0. 5kN/m2;雪荷载0. 45kN/m2(按百年一遇取值);风荷载0. 5kN/m2(按百年一遇取值);附加荷载:0. 2kN/m2(采光顶)，0. O5kN/m2(幕墙)(包括清洗机构荷载及灯具等)。

3)抗震设防烈度8度。

4)主体结构强制位移:根据主体结构计算情况提供。

图7采光顶弦支钢梁支座示意图

4. 2计算分析

幕墙及采光顶部分采用SAP2000进行计算分析。幕墙的柱嵌固于地下室顶板。东侧幕墙人口处设置有雨篷，雨篷中间设撑杆拉接到幕墙结构上。幕墙的刚架结构与交通中心钢结构相对应，每两层布置一个，刚架两端与混凝土结构铰接。采光顶两侧支承到混凝土结构上。幕墙与采光顶稳定索仅起稳定作用，初始预张力为64kN，以保证稳定索不出现松驰情况。

幕墙刚架最大水平挠度为41.2mm，刚架间的次梁最大挠度为51.5mm。采光顶弦支钢梁最大挠度为48mm，弦支钢梁间次梁的最大挠度为63.5mm,

均满足规范要求。表3为幕墙刚架及采光顶弦支钢梁最不利组合内力表，可以看出上述结构布置在满足结构位移限制的同时满足强度条件，达到了预期目的。

幕墙刚架及采光顶弦支钢梁最不利组合内力表表3

根据《玻璃幕墙工程技术规范》的要求，在罕遇地震作用下，幕墙的骨架不得脱落。幕墙设计时考虑此时幕墙钢架不因主楼变形而出现破损。此时，最不利的情况为两侧混凝土结构出现相对位移。采光顶处弦支钢梁可以自由滑动，不产生额外内力，幕墙刚架承受此强制位移影响，此时刚架钢梁最大内力:N=一178. 15kN, M=392.56 kN·m，此时最大应力为244.5MPa

5 结语

工程的装饰性质比较强，建筑要求比较高。同时工程又处于两个混凝土高层建筑之间。在设计过程中较全面的考虑了不同结构间的相互关系，采取或连或断的结构连接形式，进行了全面计算分析，较好地实现了建筑意图。

参考文献

[1] GB 50017-2003 《钢结构设计规范》

[2] GB/T 21086-2007 《建筑幕墙》

[3] JGJ 102-2003 《玻璃幕墙工程技术规程》