劉 歡 李布輝 張大長

(1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210009;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著城市人口對(duì)環(huán)境要求的日益提高，一部分灘涂沼澤被開發(fā)成沿江風(fēng)光帶，建筑雕塑給這些地區(qū)帶來了別樣的風(fēng)光。隨著人們審美眼光不斷地提高，一些造型獨(dú)特、高度較高的建筑雕塑正逐漸地出現(xiàn)在人們的視野中。但沿江風(fēng)光帶的風(fēng)速較快、風(fēng)力較大，風(fēng)力作用對(duì)這些異型雕塑的正常工作影響較大。而鋼結(jié)構(gòu)雕塑具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低等特點(diǎn)，且往往比較高大，結(jié)構(gòu)頂端處于風(fēng)速較大區(qū)域，對(duì)風(fēng)荷載十分敏感，所以風(fēng)荷載是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載[1]。

目前，鋼結(jié)構(gòu)雕塑多采用鋼管構(gòu)件，鋼管構(gòu)件具有很多優(yōu)點(diǎn):管壁較薄，截面回轉(zhuǎn)半徑較大，故抗壓和抗扭性能較好;在截面積相同的型鋼中，鋼管外邊面積最小，加之鋼管往往兩端封閉，內(nèi)部不易生銹，維護(hù)比較方便;鋼管截面的流體特性比較好，承受風(fēng)力作用時(shí)，荷載對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)比其他截面形式結(jié)構(gòu)的效應(yīng)低得多;鋼管加工便利且技術(shù)比較成熟[2]。鑒于鋼管構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)及相關(guān)工程應(yīng)用實(shí)例，本文所研究的某異型鋼結(jié)構(gòu)雕塑主要承力構(gòu)件擬采用鋼管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文研究分析某超高超寬異型鋼管結(jié)構(gòu)雕塑，其主管均為流線型圓鋼管，從地面旋轉(zhuǎn)至頂端。主管上每隔0.3 m處均有一矩形水平鋼板。該地區(qū)基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度A類，抗震設(shè)防烈度為9度。由于鋼板間距較小，迎風(fēng)面積較大，體型復(fù)雜多變，風(fēng)荷載系數(shù)根據(jù)我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中塔架結(jié)構(gòu)規(guī)定取值。本文進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力性能分析，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，該異型鋼結(jié)構(gòu)雕塑群由3座高度不同、結(jié)構(gòu)形態(tài)相似的雕塑組成，高度分別為21.8 m，17.6 m 及 14.7 m，屬于超高結(jié)構(gòu)。每個(gè)雕塑均由兩個(gè)主管支撐，兩主管以其間距的中點(diǎn)為軸線進(jìn)行繞軸旋轉(zhuǎn)至頂端，因此，主管均為流線型圓鋼管。從地面至雕塑頂端每隔0.3 m設(shè)置有一矩形鋼板，鋼板厚度為0.1 m，寬度均為1.1 m，長度應(yīng)根據(jù)兩主管的間距而發(fā)生變化，其中雕塑中部鋼板最長，達(dá)到9.3 m。主管采用Q345無縫圓鋼管，鋼板骨架為Q235方鋼管和加強(qiáng)板焊接而成，外包不銹鋼板，如圖2所示。

1.2 荷載工況及組合

該超高超寬鋼管異型雕塑的要求較高，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為:r0=1.0，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類。

鋼板恒載為1.0 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2。風(fēng)荷載設(shè)計(jì)時(shí)，基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，沿江風(fēng)光帶屬A類地面粗糙程度，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)按《荷載規(guī)范》中的塔架結(jié)構(gòu)選取，迎風(fēng)面積按雕塑立面的外輪廓線確定。將每座雕塑在高度范圍內(nèi)劃分為4段～5段，根據(jù)我國《荷載規(guī)范》的風(fēng)荷載的計(jì)算方法得到每段范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)所受到的風(fēng)荷載如表1所示，將風(fēng)荷載以線荷載方式施加到主管上。

表1 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地面加速度為0.4g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，本工程屬于異型結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定應(yīng)同時(shí)考慮豎向地震和水平地震作用。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)的主要荷載工況如表2所示。

表2 荷載組合

2 結(jié)構(gòu)分析及強(qiáng)度驗(yàn)算

2.1 結(jié)構(gòu)建模

采用SAP2000程序，建立整體模型如圖3所示。分析模型中，主管和鋼板框架采用梁單元模擬。利用膜單元施加鋼板面荷載，并將該膜單元的質(zhì)量、重度和剛度定義為0[5]，鋼管底部采用剛接約束。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

經(jīng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，該結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)恿μ匦匀鐖D4所示，可知該結(jié)構(gòu)前第四階振型分別為扭振、扭振、彎曲振動(dòng)、彎曲振動(dòng)。

2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

建立結(jié)構(gòu)分析模型，定義組合及分析工況，然后進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，分析中進(jìn)行交互式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)多次反復(fù)分析得到根部主管的內(nèi)力如表3所示，根據(jù)內(nèi)力設(shè)計(jì)主管規(guī)格。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，21.8 m高雕塑中部以下主管采用φ600×26圓鋼管，17.6 m高雕塑中部以下主管采用φ500×18圓鋼管，14.7 m高雕塑中部以下主管采用φ400×14圓鋼管，可滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)力要求。為減少工程造價(jià)，中部以上主管規(guī)格可適當(dāng)減小。分析發(fā)現(xiàn)，按構(gòu)造要求設(shè)置上部主管規(guī)格也能滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)力要求，最小規(guī)格為φ219×6。

表3 桿件內(nèi)力

2.4 結(jié)構(gòu)位移及限值

該超高超寬鋼管結(jié)構(gòu)為特種結(jié)構(gòu)，其變形限值可以參考我國各行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)比較分析參考我國《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[6]較為合理，該《規(guī)定》“在荷載的長期效應(yīng)組合(無冰、風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫)作用下，鋼管桿的桿頂?shù)淖畲髶隙炔粦?yīng)大于桿身高度的20‰”，因此，對(duì)特殊異型結(jié)構(gòu)按該要求進(jìn)行頂點(diǎn)位移控制。

基于結(jié)構(gòu)整體分析可知，該結(jié)構(gòu)由風(fēng)荷載控制。由風(fēng)荷載所引起的結(jié)構(gòu)變形較大，該結(jié)構(gòu)主要由塔頂?shù)膿隙茸冃慰刂?，其他部分的變形均能滿足規(guī)范的要求。按2.3節(jié)中由內(nèi)力要求確定的桿件，21.8 m高雕塑頂點(diǎn)最大位移為0.40 m，17.6 m 高雕塑頂點(diǎn)最大位移為0.26 m，14.7 m高雕塑頂點(diǎn)最大位移為0.20 m，均能滿足小于桿身高度20‰的要求。

3 結(jié)語

基于超高超寬異型鋼管結(jié)構(gòu)分析，可得到如下主要結(jié)論:

1)該結(jié)構(gòu)前四階振型為扭振、彎曲振動(dòng);

2)通過分析選取合適的桿件規(guī)格，可以同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移要求，可知此種結(jié)構(gòu)方案在江邊大風(fēng)環(huán)境下是安全可行的;

3)按外輪廓線考慮結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積，按《荷載規(guī)范》塔架結(jié)構(gòu)計(jì)算風(fēng)荷載系數(shù)是合理可靠的;

4)為滿足結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的要求，結(jié)構(gòu)上部主管規(guī)格應(yīng)滿足構(gòu)造的要求，不宜過小。另外，該類異型結(jié)構(gòu)的控制工況為風(fēng)荷載作用。

[1]李萬百.橋梁異型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡析[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2010，27(8):51-53.

[2]邵志民，劉 偉，于巖磊.某多層大跨度體育館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].低溫建筑技術(shù)，2010(5):47-49.

[3]GB 50009-2006，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]傅學(xué)怡，楊想兵，高 穎，等.濟(jì)南奧體中心體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].空間結(jié)構(gòu)，2009，15(1):11-19.

[6]DL/T 5130-2001，架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].