趙格 黃戴春 馬龍 陳恩明 梁博

摘要：巨型飄架最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范圍內(nèi)，可以按需要設(shè)置大空間的無(wú)柱中庭、展覽廳和多功能廳等。本文根據(jù)工程實(shí)例介紹了巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，論述了巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和抗震方面的性能分析，并結(jié)合實(shí)際工程創(chuàng)造性的提出柱腳“半剛半鉸”的設(shè)計(jì)方式，不僅滿足工程要求，而且經(jīng)濟(jì)便于實(shí)施。

關(guān)鍵詞：巨型裝飾飄架結(jié)構(gòu)；造型設(shè)計(jì)；抗震性能；柱腳設(shè)計(jì)

一、 前言：

巨型結(jié)構(gòu)是由大型構(gòu)件（巨型梁、巨型柱和巨型支撐）組成的主結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作的一種結(jié)構(gòu)體系。從平面整體上看巨型結(jié)構(gòu)的材料使用正好滿足了盡量開展的原則，可以充分發(fā)揮材料性能；從結(jié)構(gòu)角度看巨型結(jié)構(gòu)是一種超常規(guī)的具有巨大抗側(cè)剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)，是一種非常合理的超高層結(jié)構(gòu)形式；從建筑角度看巨型結(jié)構(gòu)可以滿足許多具有特殊形態(tài)和使用功能的建筑平立面要求，使建筑師們的許多天才想象得以實(shí)施。

屋頂飄架一般以鋼結(jié)構(gòu)框架形式展現(xiàn)，在遮陽(yáng)上是有節(jié)能的效果，但更多的是用來(lái)裝飾造型用的，造價(jià)比較高。現(xiàn)代建筑在符合結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)上，采用幾何外型設(shè)計(jì)達(dá)到建筑美感要求，巨型裝飾飄架這一結(jié)構(gòu)形式應(yīng)運(yùn)而生，開始流行于商業(yè)、住宅等建筑中。巨型框架最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范圍內(nèi)，可以按需要設(shè)置大空間的無(wú)柱中庭、展覽廳和多功能廳等。

二、工程概況及特點(diǎn)

我公司借鑒以前鋼框架的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)日月廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)屋頂飄架項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)，有助于我公司對(duì)巨型飄架設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，增強(qiáng)設(shè)計(jì)實(shí)力，進(jìn)而提升在海南省鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于市場(chǎng)開發(fā)有著重要的的意義。

本工程的鋼柱均為φ350x12圓管型材，鋼梁為HM600x300、HM600x350熱軋H型鋼，次梁為HN400x200熱軋H型鋼，材質(zhì)均為Q235B。本工程設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

1.造型多樣：本工程共包含12個(gè)流線型單體，每個(gè)單體造型各異，互不相同，造型優(yōu)美。

2.抗震設(shè)計(jì)復(fù)雜：每個(gè)單體外形的多樣性，使得抗震設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。在彎曲的梁處抵抗地震力的受力分析不易計(jì)算。

3.結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性：由于工程下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部增加鋼結(jié)構(gòu)飄架，鋼筋混凝土與鋼材兩種材料的側(cè)向剛度、阻尼比、彈性模量等都不相同，如何使兩種材料緊密結(jié)合，從而使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求，顯得尤為重要。

4.梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)多樣：由于結(jié)構(gòu)外型的嚴(yán)格要求，梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)變得更加多樣化和復(fù)雜化，并且要考慮施工的可操作性。

三、設(shè)計(jì)過(guò)程

本項(xiàng)目以設(shè)計(jì)院圖紙要求和國(guó)家相關(guān)規(guī)范為研究設(shè)計(jì)依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容有：多樣化造型設(shè)計(jì)，周期位移設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)難點(diǎn)，柱底連接方式設(shè)計(jì)等。

1）多樣化造型設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目根據(jù)建筑使用功能要求，將單體外圍設(shè)計(jì)為圓弧形狀，在拐角圓弧處盡量考慮施工的可行性。將外形圓弧設(shè)計(jì)為懸挑梁，內(nèi)圓弧直接與柱相連，作為主梁。單體內(nèi)部設(shè)圓弧梁，與外邊緣圓弧呼應(yīng)，造型美觀。結(jié)構(gòu)的主次之分明確，主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)均可靈活布置。

2）周期位移設(shè)計(jì)

本工程在使用PKPM軟件建模時(shí)，考慮到巨型飄架一般為裝飾性構(gòu)件，具有“大開洞，無(wú)樓板”的特點(diǎn)，選擇“全樓設(shè)膜”這一周期位移設(shè)計(jì)假定。該假定是采用平面應(yīng)力膜單元真實(shí)計(jì)算樓板的平面內(nèi)剛度，同時(shí)忽略樓板的平面外剛度，即假定樓板平面外剛度為0。

3）抗震設(shè)計(jì)

由于巨型鋼結(jié)構(gòu)的大型復(fù)雜性，使其受力性能和破壞機(jī)理、制作和安裝等都相應(yīng)增加了難度。由于本工程嚴(yán)格的外型要求，使得結(jié)構(gòu)不規(guī)則。抗震設(shè)計(jì)中，合理布置鋼梁位置就尤為重要，盡量滿足兩個(gè)主軸方向等效慣性矩最大原則，避免單懸挑，提高結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)，使更多的構(gòu)件參與到抵抗地震力作用中。

4）柱腳設(shè)計(jì)

利用計(jì)算軟件PKPM進(jìn)行鋼柱柱腳設(shè)計(jì)時(shí)，由于原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的限制與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求相沖突，無(wú)法完全使用剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，考慮到巨型飄架的裝飾作用和造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理性要求，創(chuàng)造性采用“半剛半鉸”的柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。盡量讓柱腳剛性一些，同時(shí)控制長(zhǎng)細(xì)比滿足要求，增加自身穩(wěn)定性。

四、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)本項(xiàng)目研發(fā)的設(shè)計(jì)方法符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，主要技術(shù)指標(biāo)、方案的可實(shí)施性等均以達(dá)到客戶的要求，得到客戶的充分認(rèn)可。

本項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新性與先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

造型設(shè)計(jì)

以建筑使用功能為背景，滿足使用要求，豐富建筑立面，進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)巨型飄架產(chǎn)品外型，使設(shè)計(jì)方案具有獨(dú)特性，在建筑造型設(shè)計(jì)上積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

柱腳設(shè)計(jì)因工程實(shí)際條件限制，柱腳創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)為“半剛半鉸”的結(jié)構(gòu)形式。這種設(shè)計(jì)符合工程實(shí)際且簡(jiǎn)單易行，造價(jià)也非常經(jīng)濟(jì)。

五、結(jié)論

巨型裝飾性飄架是一種新型的結(jié)構(gòu)體系，由于其整體剛度大、主次結(jié)構(gòu)傳力明確、有利于抗震、施工靈活、造型獨(dú)特等特點(diǎn)，在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是在分析方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工安裝，特別是結(jié)構(gòu)抗震的研究方面存在著諸多問(wèn)題，并未給出具體的抗震設(shè)計(jì)方法。在本文中，考慮巨型飄架具有“大開洞，無(wú)樓板”的特點(diǎn)，選擇“全樓設(shè)膜”這一周期位移設(shè)計(jì)假定，符合實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；合理布置鋼梁位置，避免單懸挑，提高結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)，使所有構(gòu)件都能參與到抵抗地震力的作用中；鋼柱“半剛半鉸”的結(jié)構(gòu)形式。文中所列的分析方法可以很好地解決實(shí)際工程的問(wèn)題，為推動(dòng)巨型飄架設(shè)計(jì)起到很大的作用。

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