耿庆和1 董磊磊1 陈景山1 张 波1 张 劲1 王 涛2 单洪翥2
（1．山东省建筑设计研究院，济南250001；2．山东大学，济南250061）
摘要：济南某商场“樽”形钢结构门厅，设计独特新颖，形似“酒樽”状。介绍了工程概况、结构体系及计算分析结果等，重点突出了内部花瓣状支撑形式及“酒樽”状的整体造型。该结构受力合理，经3D3S V10.0结构设计软件计算分析，结构性能满足要求。
关键词：“樽”形钢结构门厅；花瓣形支撑；结构计算分析 DOI:10. 13206/j.gjg201603016
1 工程概况
本工程为济南市政配套工程项目某商业楼的门厅部分——“樽”形钢结构工程，其底部内收、上部外挑，在外围蓝色幕墙的衬托下形似“酒樽”状，如图1所示，建筑横剖面如图2所示，南立面如图3所示。由下到上构件连接处折角过渡平缓，结构受力合理。商业楼整体造型气势恢宏，门厅单体却又灵动轻盈，将动静美学有机地结合在一起，为商业楼增添了魅力。
“樽”形钢结构门厅由4个花瓣形支撑体系和外围玻璃幕墙构成，顶部屋盖为管桁架体系，上铺玻璃幕墙。外侧支座直接支承在下部基础，内侧支座支承在主体结构屋面梁上，顶部结构双向跨度均为27.6 m。整体结构及花瓣形支撑体系如图4所示。“花瓣”支撑体系自底标高至12. 600 m处由8根ɸ325×14直缝高频焊钢管彼此通长焊接而成，中间每隔2m焊接20 mm厚水平隔板而形成钢柱骨架；标高12. 600 m处至顶标高24. 850 m处由8根钢管分别由内而外发散开来，沿高度每隔1m环绕竖管一周焊接200 mm×300 mm×12 mm×12 mm焊接矩形钢管作为环梁，形成如花瓣绽放的动态造型。顶部管桁架体系（图5）高度为1.9 m，结构外围均匀挂设玻璃幕墙。该门厅顶部管桁架体系与下部“花瓣”形支撑体系交相组合，与外部所铺幕墙结合组成造型独特美观的“酒樽”之状。本项目中所有钢结构构件材质均采用Q345B。
2 结构设计等级及设计参数
2.1 结构设计等级
该工程设计基准期为50年，设计使用年限为50年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙级（重点设防），结构防火等级为一级。
2.2结构设计参数
2.2.1结构设计荷载
该工程屋面采光顶的恒载为2.0 k N/m2，屋面吊挂荷载为1.0 k N/m2，幕墙恒载为1.5 k N/m2，钢结构自重由软件计算确定；屋面活载为0.5 k N／m2（不上人），屋面下弦活载为2.0 k N／m2；基本风压为0.5 k N／m2：基本雪压为0. 35 k N／m2；抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0. 05g，设计地震分组为3组，场地分类为Ⅲ类。
3抗震计算分析
3.1 计算分析
3.1.1计算模型
本工程中主体结构刚度较大，“樽结构”较柔，是典型的刚中带柔的结构形式。本工程采用同济大学设计软件3D3S Vl0.0进行对比计算。计算时分两种模型进行比较，均采用振型分解法：1）单独计算模型，柱脚按固结端计算，如图6所示；2）整体计算模型，如图7所示。整体模型是将“樽”结构组合到主体结构中，“樽”的柱脚固接到主体结构相应位置的框架柱顶，与主体结构整体计算。
因为主体结构刚度比“樽”结构刚度大很多，故在单独模型中假定钢束柱柱底为刚接。以图8所示3个振型为例，其对应振型在两个模型中的周期如表1所示。通过对比，两个模型的周期接近。
3.1.2 内力及变形对比
以图9标出的杆件和节点为例，对比地震工况下两个模型计算的内力和变形。
表2列出了各杆件在地震作用下的内力，杆1、杆2的内力均为柱底内力，表3列出了两个节点在地震作用下的变形。
对比表2和表3数据，两种模型计算得出的杆件内力及变形差别很大。两种计算模型下，杆件的内力绝对值之比约为3（杆件内力的正负是由于支座B在整体模型中有位移造成的），节点的位移之比亦约为3；故柔性结构放在刚性结构上，地震作用放大3倍是合理的。类似刚中带柔的结构在计算时必须进行整体计算，考虑整体结构与柔性结构间的相互影响，以免造成安全隐患。
经整体计算，结构中构件的最大应力比在0.6~0.8，满足强度要求。
3.2稳定性分析
该“樽”形门厅下部支撑体系造型似绽放的“花瓣”之状，构造形式特殊新颖。该支撑体系下部“花茎”束柱由8根钢管焊接而成，随着“花茎”高度的增加，该束柱逐渐发散出“花瓣”造型，如图10所示。“花瓣”处束柱的几何高度为10.2 m，通过设置横向约束，将束柱分成9段，以减小束柱的平面外计算长度，防止发生平面外的整体失稳。
通常情况下，为方便计算，设计人员易将束柱的计算长度系数取值为1，但实际则不然，计算长度的取值大小关系着结构造价和安全性两方面，在不确定的情况下需通过计算确定。采用公式(1)反推计算长度系数μ：
式中：P e r为临界压力；E为材料的弹性模型；I为截面惯性矩；L为杆件的几何长度；μ为计算长度系数。
束柱分两部分计算稳定：束柱曲线段的分支稳定及束柱的整体稳定。
3. 2.1 束柱曲线段的稳定
采用同济大学软件3D3S V10.0进行稳定计算，结果如表4所示。
9段束柱中的最大计算长度为7.9 m，束柱的几何总长度为10.2 m，束柱整个曲线段的计算长度数为7. 9/10.2=0.77。将束柱曲线段计算长度系数取为0. 77重新计算，经计算构件满足要求。
3.3.2束柱直线段的稳定
束柱直线段的计算结果如表5所示。
将束柱直线段计算长度系数取为0. 88重新计算，经计算构件满足要求。
4节点分析
利用ANSYS对结构中关键节点进行了有限元分析，采用双线性模型。节点为束柱曲线段与顶部桁架交接处相贯节点。
设计荷载下节点区域处于弹性阶段，最大应力约为167 M Pa，满足设计要求。
5 结 论
1)此工程属于典型的刚中带柔结构，通常情况下设计人员偏向于钢结构部分和混凝土部分分开计算，然后将钢结构部分的支座反力施加在混凝土支承构件上来进行设计；此种方法在静力荷载作用下设计误差较小；但在地震作用下，设计误差较大，易造成工程安全隐患，故此种结构形式在设计过程中，必须进行整体计算。
2)钢结构构件的计算长度系数关系到结构的安全和造价，在没有明确取值的情况下，需通过计算确定构件的计算长度系数切不可盲目取值。
3)相贯节点处杆件多、受力复杂，故设计过程中需对此处进行应力分析，以确定受力最大处，并进行加强设计。
