1 工程概况

中北大学老干部活动中心位于山西省太原市中北大学校园主教学楼西北侧 (见图1) 。活动中心总建筑面积3 564.7m², 东西长58.1m, 南北宽17.7m, 主体结构为钢筋混凝土框架结构, 活动中心主要有2个功能分区, 其中东区第1, 2层为活动室, 第3层为多功能大厅, 建筑总高度为16.5m, 坡屋面标高13.500~16.500m;西区每层均为开间较小的办公室, 坡屋面标高12.300~15.300m, 由于使用功能对空间没有特殊要求, 屋面采用钢筋混凝土楼板 (见图2) 。东区的多功能厅为23.4m×17.7m的大空间, 空间内不能出现混凝土柱, 且要求屋面同为四坡重型屋面。

本工程抗震设防烈度为8度, 地震加速度为0.20g, 设计地震分组第1组;场地类别为Ⅲ类, 抗震设防类别为丙类;框架抗震等级为二级, 结构设计使用年限为50年。

荷载工况:①永久荷载压型钢板混凝土组合楼板2.8k N/m² (作用在屋面上弦节点上) , 悬挂装修荷载0.2k N/m² (作用在屋面下弦节点上) ;②活荷载屋面活荷载0.5k N/m² (作用在屋面上弦节点上) ;③雪荷载基本雪压0.35k N/m² (50年一遇) 。雪荷载和屋面活荷载不同时考虑;④风荷载基本风压0.4k N/m² (50年一遇) ;⑤温度作用温度效应取值高温为40℃, 低温为-20℃。

屋面结构设计时, 该坡屋面主要有以下几个特点:①主体结构跨度为17.7m, 柱距为7.8m, 结合建筑大空间及功能性要求, 用作屋盖结构的支承点较少;②屋面要求采用四坡屋面;③根据建筑设计要求, 高低屋面需要形成浑然一体的建筑效果, 加之日后屋面的维修保养, 综合考虑本工程屋面采用混凝土屋面。结合以上几点提出4套方案:井字梁方案、预应力混凝土梁方案、空间网架+压型钢板组合楼板方案和三角形钢屋架 (空间管桁架) +钢折梁+压型钢板组合楼板方案。

井字梁结构体系可双向协同受力, 不分主次梁, 共同承担荷载。要实现本工程的坡屋面结构, 梁上还需设置小立柱, 集中荷载对梁受力不利且屋面自重较大, 梁格交叉较多, 对施工支模带来很大难度。井字梁体系造价较高, 施工成本尤其是人工成本很高。

采用预应力混凝土梁方案, 即预应力钢筋混凝土折线形屋架, 在制作过程中需要一块平整且较大面积的场地。且该方案需预留孔道, 有张拉、锚固和灌浆等多道施工工艺, 安全措施要求较高, 工程量小、单价高、价格高昂, 且施工周期较长。

本工程要求采用压型钢板混凝土屋面, 该方案杆件断面较大, 耗钢量大大增加。

钢屋架杆件一般采用角钢或钢管, 角钢造价虽然较低, 但需通过节点板连接, 耗钢量大;且肢与肢间隙较小, 不易涂刷防锈漆, 容易锈蚀。钢管节点采用相贯线焊接的方式, 施工简便, 且几何特性较好, 结构外观简洁。因此, 本方案采用钢管作为支撑杆件。屋盖体系采用压型钢板组合楼板, 可减小结构自重, 而且施工速度快。通过在H型钢上设置栓钉来保证混凝土和钢梁之间的整体受力工作, 共同抵抗外力, 楼板采用压型钢板组合楼板, 在其上浇筑混凝土。

通过上面几种方案的比较, 结合本工程的特点, 钢筋混凝土结构方案由于自重大、施工困难、造价较高基本排除。下面从使用功能、施工和造价3个角度对钢结构承重方案做进一步详细分析。

活动中心屋盖结构部分主要屋面由高、低2个屋面叠合而成。西区屋面由现浇钢筋混凝土板组成, 东区标高13.500~16.500m屋面由压型钢板混凝土组合楼板组成, 多功能厅为23.4m×17.7m的大空间, 四面起坡形成四坡屋面, 钢屋架结构布置先后提出了2种方案。方案3为空间网架结构, 如图3所示, 方案4为三角形钢屋架+钢折梁组合结构形式, 如图4所示。

方案3采用正放四角锥网架结构形式, 为了满足多功能厅上空视线开阔及美观的功能要求, 每个晶格尺寸为2 600mm×2 950mm, 厚度为2 000mm, 同时网架通过球节点高度的相对刚度调整来配合建筑四坡屋顶造型。

方案4采用三角形钢屋架+钢折梁组合结构形式。在标高16.500m屋脊处沿横向布置2个三角形钢屋架, 沿四角由标高13.500~16.500m位置布置5根折梁, 截面尺寸为HM400×300×10×16, 折梁不仅承担压型钢板混凝土组合楼板自重, 而且保证了钢屋架平面外稳定。结构竖向位移如图5所示。各项参数对比如表1所示。

通过方案各项参数对比, 2种支撑体系各有利弊, 由于屋面板采用压型钢板混凝土组合楼板, 荷载相对较大, 使得网架杆件截面相对较大, 体现不出网架在轻钢屋面中的优势。综合比较网架1m²用钢量还是比平面桁架更为经济, 但网架1t的材料费用要比屋架高。屋架在车间制作, 然后吊装, 减少了高空拼装工作量, 节省了安装时间和安装费用。同时, 三角形钢屋架省去了下弦纵向杆件, 使建筑效果更加简洁、轻巧。综合计算后本工程费用网架要比三角形钢屋架多出近20%。

根据上述特点, 综合考虑荷载情况和受力性能, 三角形钢屋架+钢折梁的结构体系相对合理的结构布置方式成为最终实施方案。作为屋盖结构的主骨架, 钢屋架通过支座与下部主体结构混凝土柱连接, 传递结构竖向荷载;钢屋架结合主体结构的柱网特点沿南北向布置, 钢折梁通过节点板与钢屋架形成刚接体系;屋面板采用压型钢板混凝土组合楼板, 为结构提供纵向抗侧刚度。

由于A区多功能大厅建筑功能的需要, 竖向支承构件相对较少, 如何有效提高抗侧力构件的刚度成为设计中的关键性问题。大厅屋盖关于东西轴、南北轴对称, 屋盖横梁依建筑造型确定。方案阶段准备采用沿屋脊线走向布置钢梁的方案, 但是由于屋架上弦相交处节点连接复杂, 同一节点连接杆件多达6根, 杆件之间的空间关系复杂, 节点受力较大, 都给设计增加了难度。综合考虑之后, 屋架在上弦三分点处沿纵向布置钢折梁, 折梁的布置不仅为屋架的侧向稳定提供了平面外支撑, 同时为四坡屋面的屋面板沿坡放置提供了支承平面。钢梁平面布置如图6所示。

13.5m以下为混凝土框架结构, 其典型柱网为7.5m×7.8m及2.7m×7.8m;相对于上部大空间钢屋盖结构刚度较大, 可认为下部混凝土结构可作为上部钢结构嵌固端。通过对上部钢结构及下部混凝土结构整体 (A区整体计算模型如图7所示) 计算分析可知:前3阶周期分别为0.692 1, 0.671 4, 0.536 1s。单独计算上部钢结构 (不考虑下部混凝土影响) , 三角形钢屋架前3阶周期分别为0.780 6, 0.615 5, 0.470 2s, 计算结果同整体模型计算结果相近。由上可知, 下部混凝土结构对上部钢结构影响较小, 下部混凝土结构可看做上部钢结构的嵌固端。

三角形钢屋架结构前2阶振型分别为沿x和沿y方向的平动, 第3阶振型为扭转振型, 表明本工程的结构体系规则已具备较强的抗扭能力。

整体计算分析时, 结构阻尼比取0.04;单独计算钢结构时, 阻尼比取0.04。

屋盖钢结构在永久荷载和可变荷载作用下的竖向最大位移如表2所示。对比表1可以看出, 整体三角形钢屋架模型的竖向变形大于单榀三角形钢屋架的分析结果。这是因为单榀屋架计算时没有考虑纵向大梁的不利影响, 两榀屋架虽然弦杆截面尺寸较大, 但两榀之间的距离为7.8m, 屋面的压型钢板混凝土组合楼板自重及其余各项荷载所产生的竖向力主要依靠纵向折梁承担。

从表2可以看出, 永久荷载与可变荷载标准值组合以及活荷载标准值作用下, 屋架的挠度满足规范有关变形的要求。屋盖整体模型中, 结构的最大竖向位移发生在屋架上平面折梁弯折处。

计算表明, 钢梁内置加劲板能够有效阻止翼缘或腹板的局部屈曲, 因此在三角形钢屋架上弦对应位置、钢折梁每隔0.7m对称设置1对加劲板, 加劲板宽度均为145mm, 如图8所示。

由于上弦截面为H型钢, 而屋脊处以及对应下弦节点处竖杆及斜腹杆汇聚于一点, 节点形式复杂, 此时用相贯线切割后焊接的方式难以实现, 故在设计时借助过渡节点板, 与竖向和水平向节点板相连, 此方法与屋架节点铰接计算模型一致, 同时解决了节点处杆件汇交存在的施工难度大的问题, 巧妙地避开了杆件相交带来的一系列问题。如图9所示。

本工程通过合理确定荷载组合及计算假定模型, 根据工程实际情况, 优化构件截面设计;合理性布置结构构件, 形成合理空间稳定体系。对几种方案进行综合的对比和分析, 最后决定采用三角形钢屋架+钢折梁+压型钢板组合楼板, 三角形钢屋架作为屋盖的支撑体系, 充分利用坡屋面中间高两边低的特点, 增加了跨中高度, 使屋架受力更合理。并对常规三角形钢桁架进行优化改良, 上弦受压采用H型钢, 其余杆件均采用钢管, 不仅发挥出钢管抗压和抗扭性能好的优点, 也解决了上弦与钢梁不好连接的问题。

三角形钢屋架通透性好, 施工方便, 造价也较低;既能满足结构性能的要求, 又能实现建筑形态和结构造型的协调统一。

本工程竣工验收投入使用已有2年, 使用阶段, 整体沉降在规范允许 (≤0.10mm/d) 的范围内, 现在沉降已经稳定。屋架使用正常良好, 没有出现不良变形、裂缝, 不仅满足了使用功能要求, 同时也大大降低了造价。