景觀廊道鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱設(shè)計研究

時間:2022-08-04 10:31:40

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景觀廊道鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱設(shè)計研究

摘要:某鋼結(jié)構(gòu)景觀廊道屋面懸挑跨度過大,造成懸挑鋼梁根部應(yīng)力比超限,為此在廊道遠離懸挑根部支座一側(cè)的局部區(qū)域增設(shè)若干鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱,藏于建筑裝飾柱中,協(xié)助承擔(dān)懸挑屋蓋的荷載,既解決了懸挑梁應(yīng)力比超限的問題,又達到了預(yù)期的建筑效果。該文借助該項目細(xì)長柱的設(shè)計,探討鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長框架柱和鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長搖擺柱這兩種形式分別在項目中的應(yīng)用情形,厘清新版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2017)關(guān)于框架柱性能化設(shè)計的相關(guān)思路,并給出細(xì)長框架柱和細(xì)長搖擺柱的不同應(yīng)用場景建議。

關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);景觀廊道;細(xì)長柱;搖擺柱;性能化設(shè)計

大長細(xì)比的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱能帶來輕盈、通透的建筑造型和效果。本文借助某鋼結(jié)構(gòu)景觀廊道項目,詳細(xì)介紹《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1](GB50017—2017,以下簡稱《鋼標(biāo)》)關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的相關(guān)理論,并將其應(yīng)用于該項目的細(xì)長柱設(shè)計過程中,分析比較鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長框架柱和細(xì)長搖擺柱這兩種形式的設(shè)計方法,并就如何區(qū)分這兩類細(xì)長柱的應(yīng)用場景給出建議[2]。

1鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)抗震設(shè)計與抗震性能化設(shè)計

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3](GB50011—2010,以下簡稱《抗規(guī)》)關(guān)于傳統(tǒng)抗震設(shè)計的思路是,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下一般會進入彈塑性階段,基于延性耗能的原則,設(shè)防烈度越高,房屋高度越高,需要結(jié)構(gòu)在地震過程中消耗的能量越多,延性要求就越高。因此,《抗規(guī)》通過與設(shè)防烈度和房屋高度等相關(guān)聯(lián)的抗震等級來體現(xiàn)對結(jié)構(gòu)延性的要求。一般情況下,抗震等級高,延性要求就高。針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),一般都要求具有中等或更高的延性能力,因此多是按“高延性-低承載力”的思路進行性能化設(shè)計。但是,對于多數(shù)鋼結(jié)構(gòu),地震作用并非結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素,其構(gòu)件實際具有的抗震承載力很高,因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低,從而降低能耗,節(jié)省造價。這是導(dǎo)致《鋼標(biāo)》抗震設(shè)計與《抗規(guī)》慣用方法不同的關(guān)鍵所在,即《鋼標(biāo)》為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了性能化設(shè)計的另一條路———“低延性-高承載力”。《鋼標(biāo)》17.1.1條文說明指出:滿足本章規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)無需滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011)及《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191)中針對特定結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求和規(guī)定。因此,可按如下途徑之一進行鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計:途徑1:按《鋼標(biāo)》進行靜力設(shè)計,按《抗規(guī)》或《構(gòu)抗規(guī)》進行抗震設(shè)計;途徑2:按《鋼標(biāo)》進行靜力設(shè)計,按《鋼標(biāo)》第17章進行抗震設(shè)計,尤其是一些地震作用不大、可按“低延性-高承載力”思路進行設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

2鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計的核心思想,即通過“高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設(shè)計思路,在結(jié)構(gòu)的延性和承載力之間找到一個平衡點,達到最優(yōu)設(shè)計,對高延性結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬承載力要求,對高承載力結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬延性要求。本文結(jié)合《鋼標(biāo)》第17章,將鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的步驟歸納為如圖1所示的流程圖,下文將結(jié)合這一流程圖對景觀廊道細(xì)長框架柱方案的抗震性能化設(shè)計進行介紹。

3景觀廊道細(xì)長柱設(shè)計

3.1項目概況

該項目景觀廊道(圖2)與展示中心相連,位于場區(qū)的較高位置,具有很好的景觀視角。方案設(shè)計時考慮到其作為通向展示中心觀景的主要通道,因此對于廊道一側(cè)的通透效果有較高需求,要求結(jié)構(gòu)在視角側(cè)僅能設(shè)置非常細(xì)長的柱子。該項目設(shè)計基準(zhǔn)期50年,安全等級為二級,抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g),場地特征周期為0.45s,建筑場地類別Ⅱ類,抗震設(shè)防類別為丙類,設(shè)計地震分組為第三組,抗震等級為三級,層高7m。使用YJK2.0.1對其進行建模計算,由于屋面懸挑跨度過大在端部無柱的情況下懸挑鋼梁根部應(yīng)力比超限,為此在廊道遠離懸挑根部支座一側(cè)的局部區(qū)域增設(shè)若干鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長柱(如圖3,細(xì)長柱編號分別為1—7),藏于建筑裝飾柱中,協(xié)助承擔(dān)懸挑屋蓋的荷載,解決懸挑梁應(yīng)力比超限的問題。在該項目中,結(jié)構(gòu)細(xì)長柱的施工有兩種方案,一是細(xì)長框架柱,二是細(xì)長搖擺圖3景觀廊道YJK細(xì)長柱模型柱,下文將分別予以介紹。

3.2細(xì)長框架柱設(shè)計

《抗規(guī)》8.3.1條規(guī)定,框架柱的長細(xì)比,一級不應(yīng)大于60從表1結(jié)果對比可以看出:按《抗規(guī)》傳統(tǒng)設(shè)計時,柱子外徑需做到220,此時長細(xì)比94.2已與限值100非常接近,但是應(yīng)力比卻只有0.33,說明承載力有較大富余,然而由于《抗規(guī)》嚴(yán)格的構(gòu)造規(guī)定讓柱子無法做得更細(xì)長;按《鋼標(biāo)》性能化設(shè)計(高承載力低延性),將長細(xì)比限值提高到180,可以將柱子截面繼續(xù)減小,最小可做到D120×5,長細(xì)比為172,非常接近180的限值。

3.3細(xì)長搖擺柱設(shè)計

搖擺柱上下兩端均為鉸接,相當(dāng)于軸心受力構(gòu)件,對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沒有貢獻,但可以承受豎向力,為懸挑鋼梁減輕負(fù)擔(dān)。搖擺柱由于不受橫向荷載的影響,其截面可根據(jù)軸壓力和長細(xì)比要求確定。搖擺柱對整體結(jié)構(gòu)的受力具有較好的改善效果,同時可將連接節(jié)點做得輕巧,當(dāng)受力不大時,搖擺柱有條件設(shè)計得極為纖細(xì),因此在結(jié)構(gòu)本身具有足夠大的抗側(cè)向剛度的前提下,細(xì)長搖擺柱也是該項目可選方案之一。根據(jù)《鋼標(biāo)》第7.4.6條,搖擺柱長細(xì)比限值為150,但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計值不大于承載能力的50%,長細(xì)比限值可放寬至200。搖擺柱設(shè)計計算結(jié)果如表2所示。從表2結(jié)果可以看出,搖擺柱最小可做到直徑120mm(圓管),為保證應(yīng)力比低于0.5,可取長細(xì)比限值為200,需將壁厚做到20mm。當(dāng)截面直徑做到150mm及以上時,壁厚基本可以按構(gòu)造的最小值考慮。綜合建筑效果及采購難度,搖擺柱最終截面選擇為D150×4.

作者:楊光磊 郭俊杰 單位:浙江綠城建筑設(shè)計有限公司重慶分公司 重慶杰地建筑設(shè)計有限公司