重荷载大跨度的钢结构井字梁设计.docx

重荷载大跨度的钢结构井字梁设计摘要：某圆形露天屋顶花园32.0x32.0m,作用的荷载为20kNm2,经综合考虑比较，决定采用大跨度实腹焊接H型钢井字梁承重屋盖。通过介绍结构方案的比选、支座和拼接节点构造，供设计人员参考。关键词：井字梁；较接支座；拼接节点某酒店屋顶花园的屋面为1024m2的园林式花园，其中部为方形水池，四周种植花草、灌木，布置石桌、石凳，供人们休憩所用。屋面下部空间是用于举办交流活动的大型会议中心。屋顶花园的主结构跨度为32.0m,作用的永久荷载标准值达20kNm2,屋盖设计采用了焊接H型钢井字梁结构，该工程于2015年建成投入使用。1?结构方案1.1 ?建筑要求结合花园中部为水池的特点，屋面设计成中部平、四周坡的形式。屋盖采取结构找坡的方法，屋面板的支承结构设计成上表面起坡，在15Omm厚钢筋混凝土楼板上，铺设等厚度的保温层和防水层。这种做法克服了常规屋面保温层找坡构造造成荷载较重的现象，可满足保温、排水和防水的基本功能，亦可加大屋盖结构中部高度，提高承载力。在满足使用高度要求的前提下，屋面板下结构允许净高为2.2m。1.2 ?结构方案的比选屋顶花园下部的大空间为钢筋混凝土框架结构。屋盖平面为正方形，适合空间结构体系的布置。由于该结构跨度大、屋面荷载重，导致地震作用较大，另外还需满足建筑功能和对净空的要求，因此，本工程分析比较了目前常见的两种空间结构方案。（1）实腹井字梁方案实腹井字梁方案常用于大空间的混凝土结构中，但钢结构井字梁用于大跨度屋盖尚不多见。本工程初步选用32.0m跨双向正交的实腹焊接H型钢井字梁结构方案。通过计算分析：当采用Q345钢材，钢梁高度为2.2m时，钢梁的强度、稳定性均满足规范要求，但结构跨中挠度较大，因此可以结合施工中大跨度钢梁采用预起拱措施并在钢梁上翼缘布置栓钉抗剪键，从而使钢梁与混凝土屋面板共同作用形成组合梁来达到增强结构承载力、减小结构跨中挠度的目的，满足了使用要求。（2）空间网架方案目前，空间网架是比较常用的大跨度空间结构形式，其用钢量较低并便于贯穿管道设备，但当跨度较大时占用空间也较大。计算表明，选用焊接球网架方案时，网架上下弦中心高度需3.0m,支座焊接球直径达到0.8m。网架上弦的屋面板支承梁为H30030010x16,另外考虑支座构造、屋面板支承梁与网架连接构造等需要的空间，混凝土楼板下钢结构所占空间高度达4.7m,远超出建筑允许净空的要求。（3）两种方案的比较结果通过以上对实腹井字梁和平板网架两种方案的分析（表1）,实腹井字梁方案虽用钢量稍大，但考虑到变截面实腹井字梁方案能够满足建筑空间的要求，且施工简单快捷，质量容易控制等优点，本工程选择了变截面实腹井字梁方案作为最终实施方案。2?井字梁屋盖结构设计与计算屋顶花园支承在32.0mX32.0m正方形钢筋混凝土框架上，井字钢梁支承在16个钢筋混凝土柱上。2.1 ?设计荷载综合考虑屋顶花园的功能要求并结合园林设计方案，按照建筑结构荷载规范（GB50009-2012）和建筑抗震设计规范（GB50011-2010）进行荷载选取和效应组合。屋面的荷载标准值为：（1）永久荷载标准值：20kNm2,包括混凝土楼板自重、屋面覆土、卵石、中央水池重、楼板建筑做法、空调水暖管道和结构自重等；（2）活荷载标准值：3.5kNm2;（3）雪载:0.45kNm2;本工程考虑4种荷载组合：（1）1.2恒载+1.4活载；（2）1.2恒载+1.4半跨屋面活载；（3）1.2恒载+1.3竖向地震荷载；（4）1.33恒载+0.65雪载。2.2 ?结构布置屋顶花园的钢结构最大跨度为32.0m,井字梁间距为4.0m。钢梁在屋面中部16.0mx16.0m正方形区域内为等截面，考虑结构找坡措施，屋面梁中部高度为2.4m,支座处高度2.2m,满足建筑净空62m要求，梁为变截面构件（图1）。2.3 ?结构计算计算模型的假定：（1）钢梁支座为理想较接，绕钢梁截面主轴转动，平面外无侧移；（2）屋盖井字梁主要受力钢梁均为双向连续梁；外侧两圈环梁（11）与主要受力钢梁的连接为较接。计算采用SAP2000有限元程序。在建立空间计算模型后,按Q345-B级钢，根据设计荷载的不同组合计算出结构的内力和变形。根据结果分析，竖向地震组合（12恒载+1.3竖向地震荷载）起控制作用。这表明对重载屋盖结构，应慎重考虑竖向地震作用的工况组合（因为此时VRE取值为10）。经过反复计算优化，最大钢梁截面最终取H（2000-2400）×500×18×30（图1）。在永久荷载作用下，钢梁最大挠度为118.4mm；在永久荷载效应控制的基本组合作用下，钢梁最大挠度为130.1mm。考虑到井字钢梁由栓钉与混凝土楼板紧密连接，混凝土楼板充当钢梁的翼缘，会增加钢梁的截面抵抗矩，实际受力接近组合梁，所以梁最大竖向变形达不到计算值，设计起拱值可小于永久荷载产生的挠度值，最终选用起拱值为IOOmmo2.4 ?节点计算与构造（1）支座节点支座节点是工星实际受力情况尽量符合计算模型的重要保证。由于每根钢梁在混凝土结构上的支点为单向钱接，绕钢梁截面主轴转动，平面外没有侧移。选用单面弧形支座，以使支座可有微量转动和微量线位移，从而保证大跨度钢梁由于挠度和温度应力影响的支座受力性能，其节点构造见图2。图3焊接H钢梁井字相交连接为保证双向H型钢井字梁结构方案中梁梁刚性连接，设计中将拼装节点设置在远离交叉点（距轴线交点IOoomm的位置，使拼接处成为等强度连接节点。节点采用栓焊结合的构造做法，即翼缘焊接、腹板螺栓连接方式，见图3所示。其特点是腹板采用高强度螺栓连接，既利于施工，又能保证安装精度；翼缘采用全熔透焊缝，焊缝质量等级为二级，以确保上、下翼缘板的连续性。梁腹板拼接构造采用双连接板形式，根据精确计算，高强螺栓还需要抵抗部分弯矩，最后确定的梁腹板最大拼装螺栓为120副10.9级M24高强度螺栓。3?结语按通京工图纸，钢结构构件经过加工厂精心制作，在现场安装高强度螺栓的过程中，均未出现扩孔现象，约280t钢结构的安装时间为20d,施工快捷，工程质量一次通过优良标准的验收。该工程建成投入使用至今状况良好。