1、王越1，欒煥強(qiáng)2，于連秋1，楊再燁1，王 海3，張 凱3（1.黑龍江省建設(shè)集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，哈爾濱150081；2.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海200072；3.哈爾濱生活匯長富房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，哈爾濱150056）摘要 鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋是基于多層大跨鋼結(jié)構(gòu)的一種新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。這種新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系是由上肋、下肋和上下肋之間設(shè)置的剪力鍵組成。本文通過哈爾濱武源小區(qū)商業(yè)廣場屋面大跨鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，介紹了鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋的實(shí)用計(jì)算方法，以及主要構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。設(shè)計(jì)同時(shí)采用Midas/Gen有限元分析軟件進(jìn)行建模分析，驗(yàn)證采用實(shí)用計(jì)算方法進(jìn)行

2、鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板屋蓋設(shè)計(jì)的可靠性。本文還對鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)的自振特性和舒適度進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明大跨鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋體系安全、可靠,滿足舒適性要求。關(guān)鍵詞 空腹夾層板；大跨鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)；舒適度；新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中圖分類號：TU393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：Structural Design forLarge-span Steel Open-web Sandwich SlabWang Yue1，Luan Huanqiang2，Yu Lianqiu1，Yang Zaiye1，Wang Hai3，ZhangKai3(1 HCGC Building Design &

3、Research Institute Co Ltd, Harbin 150081, Shanghai200072；3Harbin SHH CHANGFU Real Estate Co. Ltd，Harbin 150056 )Abstract: Steel open-web sandwich slab structure is a new space griding structure system based on large-spansteel structures. The structural system is composed of top and bottom chords, an

4、d shear keys between them. Through the analysis and design of the steel open-web sandwich slab structure adopted in the roof for the Commercial Plaza in Harbin WUYUAN Residence Community, a practical design method for the steel open-web sandwich slab and main components and details was introduced. M

5、odeling and analysis was performed by Midas/Gen to verify the practical design method. Natural vibration characteristics and comfortableness of steel open-web sandwich slab structure were analyzed using Midas/Gen finite element analysis software. The analysis results show that steel open-web sandwic

6、h slab structures meet the requirements with safety, reliability and comfortableness.Keywords:open-web sandwich slab；large-span steel structure; structural analysis and design; comfortableness；new space griding structure0 工程概況本工程為哈爾濱生活匯長富房地產(chǎn)開發(fā)有限公司開發(fā)的哈爾濱道外武源小區(qū)棚改項(xiàng)目C區(qū)商業(yè)廣場。項(xiàng)目位于哈爾濱市宏圖街、南直路、大有坊街、武源街合圍區(qū)域。商

7、業(yè)廣場共五層，地上二層，地下三層。其中地下二、三層為停車場，地下一層、地上一、二層為商業(yè)廣場。建筑面積72,000平方米，建筑地上一層高度為5.4米,二層高度為3.2米。主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂層屋面采用鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋，最大柱距15米。結(jié)構(gòu)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。場地類別為類，地面粗糙度為B類。耐火等級為一級。圖1為建筑效果圖，圖2為建筑平面圖，圖3、圖4為建筑剖面圖。1 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定商業(yè)廣場頂層屋面為上人屋面（步行街）。屋面結(jié)構(gòu)不僅跨度大、荷載大、樓層凈高要求高、施工工期短，而且平面布置橢圓形共享空間、連廊造型復(fù)雜。采

8、用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁截面高，施工難度大。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)施工方便，但實(shí)腹鋼梁梁高依然較大，有管道、風(fēng)道通過腹板時(shí)，需要開洞。針對上述存在的問題,本設(shè)計(jì)選用鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋體系。 圖1效果圖作者簡介：王越，碩士，高級工程師，總工程師，Email：貴州大學(xué)馬克儉院士在1998年提出的新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系-鋼筋混凝土空腹夾層板樓蓋體系多年來得到了廣泛的應(yīng)用1,2,3，尤其是多層大跨結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土空腹夾層板結(jié)構(gòu)將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度降低，加大豎桿截面尺寸，使豎桿高度與寬度之比 h0/b1 形成塊體單元，作為剪力鍵。上、下肋由剪力鍵相連，通過增加剪力鍵抗剪剛度來彌補(bǔ)由于高度降低導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)抗彎剛度減小的不足1。鋼結(jié)

9、構(gòu)空腹夾層板樓蓋與鋼筋混凝土空腹夾層板樓蓋力學(xué)模型相同、構(gòu)造形式相似，兩者僅材料特性不同，即彈性模量（Es、Ec）不同。根據(jù)這個(gè)基本原理，鋼筋混凝土空腹夾層板的實(shí)用計(jì)算方法及有限元分析方法完全適用于鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層樓蓋。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、延性好、截面小、自重輕、構(gòu)造明確、工藝簡單、施工方便、質(zhì)量易保證、可采用裝配式安裝、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板上、下肋及剪力鍵間空腹處可以通過空調(diào)管道及水電管線等，增加樓層凈高 200-300mm。而且結(jié)構(gòu)形式美觀大方，還可以節(jié)省室內(nèi)頂面裝修費(fèi)用。鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板的樓板，采用空間桁架樓承板，樓板用栓釘與鋼梁連接，每個(gè)網(wǎng)格形成連續(xù)雙向

10、板，以增加鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋的平面剛度，減少剪切變形。施工階段,樓承板兼做模板使用，施工時(shí)不用支模、拆模，大大節(jié)約施工成本。1.2 結(jié)構(gòu)布置屋面平面布置不規(guī)則區(qū)域采用普通鋼框架主次梁結(jié)構(gòu)，規(guī)則區(qū)域采用正交正放鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋。根據(jù)柱網(wǎng)尺寸15mx14.7m，梁網(wǎng)格尺寸取為2.5mx2.45m。鋼梁布置圖參見圖5、圖6及表1（鋼梁表），空腹框架梁梁高為800mm，其中上下肋均為H300x350x16x21，空腹高度為200mm?？崭箍蚣芰褐?jié)點(diǎn)及剪力和彎矩較大處仍采用實(shí)腹梁。本設(shè)計(jì)梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置了鋼斜撐，以減小梁跨度、減少彎矩。剪力鍵采用400x400x14方鋼管。交叉網(wǎng)格梁處梁高為700m

11、m，其中上、下肋HW200x200，空腹高300mm，在剪力及彎矩較大處，仍采用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)腹梁，剪力鍵采用250x250x12方鋼管。鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板構(gòu)造軸測圖見圖7，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖8。樓板采用鋼筋混凝土空間桁架樓承板，板厚100mm，配筋構(gòu)造見圖9。材料：上下肋采用Q345B，鋼板Q235B，樓板鋼筋為HRB400，樓板混凝土為C30。1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板設(shè)計(jì)采用實(shí)用計(jì)算方法。即不考慮鋼筋混凝土樓板對剛度的貢獻(xiàn)，按照剛度等效原則將空腹梁折算成正交實(shí)腹梁，采用中國建研院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM以及結(jié)構(gòu)軟件YJK進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度計(jì)算。圖2建筑平面圖圖3建筑剖面圖4建筑剖面圖5鋼梁布置圖空腹

12、梁等效原則包括：抗彎剛度相同、截面高度相同、翼緣及腹板厚度相同。荷載輸入時(shí)恒載按截面折算前后荷載差輸入，等效實(shí)腹梁自重由設(shè)計(jì)（a）X方向梁網(wǎng)格布置（b）Y方向梁網(wǎng)格布置圖6 梁網(wǎng)格布置圖7 空腹夾層板軸測圖軟件自動(dòng)生成。本設(shè)計(jì)折算前后實(shí)腹梁與空腹梁（包括剪力鍵、樓板）的自重相差 8.63kN/，活荷載取3.5kN，實(shí)腹梁按實(shí)際截面輸入。分別采用SATWE和YJK軟件進(jìn)行計(jì)算。撓度驗(yàn)算時(shí)需要考慮空腹夾層板剪切變形影響，跨中最大彈性撓度除以0.65作為計(jì)算撓度。計(jì)算結(jié)果：強(qiáng)度：等效交叉結(jié)構(gòu)梁最大應(yīng)力比為0.9。 撓度：主梁計(jì)算撓度33.55mm，位跨度的1/454。交叉次梁計(jì)算撓度27mm，為跨度

13、的1/361。滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范1/400和1/250要求。設(shè)計(jì)要求施工安裝時(shí)按梁跨2/1000起拱。2. 主要構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)2.1 上下肋設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板的上、下肋均存在局部彎矩，因此上下肋均應(yīng)按偏心受力構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。按正交梁計(jì)算出樓蓋內(nèi)力后，可按下式計(jì)算上、下肋的軸向軸力和剪力：上、下肋的剪力設(shè)計(jì)值為:（1）上、下肋的軸力設(shè)計(jì)值為:（2）式中：為上、下肋軸力設(shè)計(jì)值，為上、下肋剪力設(shè)計(jì)值-等代梁計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值，取網(wǎng)格梁段上的最大彎矩。為等代梁計(jì)算剪力設(shè)計(jì)值。為空腹夾層板計(jì)算高度，即上下肋中心距。由于局部彎矩的存在，按軸心受力構(gòu)件計(jì)算所需面積增大 20，能夠保證結(jié)構(gòu)安全。梁柱節(jié)點(diǎn)處實(shí)腹梁則按照

14、普通鋼結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果空腹框架梁：彎矩，空腹梁軸心距離500mm，軸心壓力： ?？崭沽海簭澗?，空腹梁軸心距離500mm，軸心壓力：。2.2 剪力鍵設(shè)計(jì)由于剪力鍵彎曲變形很小，基本可忽略，故剪力鍵可按純剪構(gòu)件計(jì)算其承載力，其承擔(dān)的剪力為剪力鍵間上下肋軸力差中較大值N。剪力鍵所能承擔(dān)的軸力差為： （3）式中：為毛截面慣性矩；為腹板厚度；為鋼材抗剪強(qiáng)度；為計(jì)算剪應(yīng)力處以上毛截面對中和軸的面積矩；本設(shè)計(jì)剪力鍵所能承擔(dān)的拉力差為 1440kN，再由式（2）求得相應(yīng)的所能承擔(dān)的彎矩差為720kNm。根據(jù)樓蓋彎矩包絡(luò)圖，可以算出剪力鍵兩側(cè)節(jié)間彎矩差值，設(shè)置相應(yīng)尺寸的剪力鍵，同理，可算出其他截面尺

15、寸的剪力鍵所能承擔(dān)的彎矩差，（a）剪力鍵構(gòu)造（b）空腹框架梁（c）空腹梁（d）梁柱節(jié)點(diǎn) 圖8節(jié)點(diǎn)圖圖9空間桁架樓承板配筋示意 鋼梁表 表一編號名稱截面KFKL1空腹框梁上、下肋H300X350X16X21等代截面（H800x370x16x21）KFL1空腹梁上、下肋H200X200X8X12等代截面（H700x240x8x12）SFL1實(shí)腹梁H700X300X13X24SFKL1實(shí)腹梁H800X400X24X32SFKL2實(shí)腹梁H1100X400X24X32KL1實(shí)腹梁H650X300X11X17KL2實(shí)腹梁H700X300X13X24KL3實(shí)腹梁H800X300X14X26L1實(shí)腹梁H350

16、X175X7X11L2實(shí)腹梁H400X200X8X13L3實(shí)腹梁H450X200X9X14JLJ1剪力鍵方鋼管250x250x12JLJ2剪力鍵方鋼管400x400x14圖10 現(xiàn)場圖片再根據(jù)樓蓋彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行剪力鍵設(shè)置。圖10是鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板安裝現(xiàn)場圖片。3. 有限元分析為了檢驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋實(shí)用計(jì)算方法設(shè)計(jì)的可靠性、準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)采用Midas/Gen有限元分析軟件，根據(jù)實(shí)用設(shè)計(jì)方法的結(jié)果，實(shí)際建模進(jìn)行有限元分析。圖11是有限元應(yīng)力分析結(jié)果。鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.9，大多數(shù)桿件應(yīng)力比處于0.5-0.7之間?？梢姲磳?shí)用計(jì)算方法設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高的安全儲(chǔ)備。 圖11

17、： Midas/Gen分析應(yīng)力比撓度計(jì)算結(jié)果顯示，空腹框梁最大撓度為35.4mm，空腹梁最大撓度為32.3mm，與實(shí)用計(jì)算方法結(jié)果基本一致。4. 樓蓋舒適度分析4.1 舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板總高度比普通鋼結(jié)構(gòu)梁高降低10-15%，而且自重較輕，因此舒適度驗(yàn)算對于鋼結(jié)構(gòu)空腹夾層板樓蓋尤為重要。目前對樓蓋舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有樓蓋自振頻率控制標(biāo)準(zhǔn)和豎向加速度控制標(biāo)準(zhǔn)。1）樓蓋自振頻率控制標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）均規(guī)定大跨度公共建筑樓蓋自振頻率不低于 3Hz.組合樓板設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（CECS273:2010）規(guī)定組合樓

18、蓋當(dāng)自振頻率3Hz時(shí)，樓蓋自振頻率過低，周期過長，會(huì)產(chǎn)生不舒適感。2）樓蓋豎向加速度控制標(biāo)準(zhǔn)采用頻率控制作為舒適度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由于未考慮結(jié)構(gòu)的參與質(zhì)量、阻尼比，以及人員的活動(dòng)和激勵(lì)情況等因素，具有很大的局限性，因此采用樓蓋豎向加速度標(biāo)準(zhǔn)作為舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定住宅、辦公、商業(yè)建筑樓蓋豎向振動(dòng)加速度不得超過表二的限值。 樓蓋豎向振動(dòng)加速度限制 表二人員活動(dòng)環(huán)境豎向自振頻率不大于2H不大于2Hz住宅辦公商場及室內(nèi)連廊注：樓蓋結(jié)構(gòu)豎向自振頻率為 24Hz 時(shí)，峰值加速度限值按線性插值選取。4.2 人的兩種主要活動(dòng)激勵(lì)模型1）連續(xù)行走模型Allen和Raine

19、r4對單人和多人連續(xù)行走產(chǎn)生的動(dòng)力荷載進(jìn)行了測試，認(rèn)為行走產(chǎn)生的動(dòng)力荷載曲線模型可以用圖12(a)表示，函數(shù)表達(dá)式為式：kF (t )= G +åGansin(2p nf p t -fn)n=1式中：F( t )人的活動(dòng)對樓面產(chǎn)生的振動(dòng)荷載，G人的體重(通常取 0.7kN)，n第 n 階諧振頻率動(dòng)力因子, p行走頻率，t 行走時(shí)間,Øn 簡諧振動(dòng)相位角2）豎向跳躍激勵(lì)模型人的跳躍活動(dòng)對樓蓋的沖擊力曲線可近似地采用正弦曲線模擬，將連續(xù)跳躍數(shù)學(xué)模型進(jìn)行歸一化處理的曲線，如圖12(b)所示（a）連續(xù)行走模型（b）連續(xù)跳躍模型 圖12：人的兩種活動(dòng)激勵(lì)模型4.3 舒適度分析1）分析工況定義當(dāng)人的活動(dòng)激勵(lì)頻率與樓蓋豎向自振頻率相同或?yàn)檎麛?shù)倍時(shí)，樓蓋振動(dòng)能量最大，因此取第一階自振頻率4.56Hz作為人的活動(dòng)激勵(lì)頻率，對樓蓋進(jìn)行時(shí)程分析，采用的荷載函數(shù)不少于五個(gè)周期。考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際使用功能，樓蓋上以步行、跳躍激勵(lì)為主，并且以通過低階振型中心的激勵(lì)方式最為不利。本文考慮兩種最不利工況進(jìn)行時(shí)程分析。工況一：沿通過樓蓋中心的行走路線施加人行激勵(lì)荷載，考慮10人同相位、同頻率地通過樓蓋中心，人的平均重量取 0.70kN，步距0.75m，頻率3.32Hz；工況二： 5人同時(shí)在樓蓋中