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某博物馆大跨钢空腹夹层板屋盖设计

2024-09-03 78 上传者：管理员

摘要：以湖北省天门市某博物馆的大跨度钢空腹夹层板楼盖为实例设计，介绍了钢空腹夹层板的设计方法和结构布置，基于YJK模型和SAP2000模型分析了实用计算方法和壳单元有限元模型计算结果的变形和受力的差异及其原因，对比研究了传统方管剪力键和新型十字剪力键在空腹夹层板结构中的受力表现。结果表明，本工程中实用方法与壳单元有限元模型计算得到的挠度结果吻合性较好，实用方法难以考虑次弯矩，会导致受压板件的计算应力较壳单元有限元模型明显偏小；剪力键的构造对结构受力有一定影响，新型十字剪力键连接的弦杆应力较方管剪力键略小，应力集中情况在一定条件下更缓和；通过增加部分加劲肋板，可以减小支座端应力。

关键词：
剪力键
大跨钢空腹夹层板屋盖
实用方法
节点构造
装配式结构
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1、工程概况

某博物馆项目位于湖北省天门市石家河镇，北面为遗址核心区，南临石河大道。项目地上1层(局部设置夹层),大屋面顶标高9.0m,屋盖造型顶标高14.7m,平面尺寸约为101.4m×91.2m,建筑面积约为9 226m2,主要功能为展厅、多媒体厅、库房、办公及附属配套用房，博物馆建筑效果图见图1,结构正立面图见图2,平面布置图见图3。项目设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类(丙类)。抗震设防烈度为6度(0.05g),地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。

图1博物馆建筑效果图

图2结构正立面图

2、结构体系

2.1结构方案

建筑造型东西侧外墙为斜墙，墙体倾角约为70°,考虑斜墙难以砌筑，设计中将斜墙均设为钢筋混凝土剪力墙，主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。建筑主体根据其功能主要分为6个单元，其中1号及3～6号单元为内部无柱的大空间单元，大跨屋面分区后各单元平面尺寸如图4所示。

图3结构平面布置图

图4大跨屋面分区各单元平面尺寸

建筑大屋面为绿化屋面，覆土厚度450mm,荷载较大。此外，该博物馆建筑设计要求室内无吊顶，机电管线需隐藏于结构构件内部，结合建筑功能要求，大屋面结构选定为钢空腹夹层板体系，空腹夹层板支承于四周剪力墙及框架柱顶部，墙顶及柱顶设置钢骨混凝土圈梁与空腹夹层板上下肋连接。造型屋盖结构最大跨度33.6m,最大悬挑14.7m,采钢结构空间网格结构体系，中央直径30m圆形区域采用弦支穹顶结构体系，整体结构形式如图5所示。

图5整体结构形式示意图

2.2钢空腹夹层板

20世纪80年代，马克俭等人[1-2]提出钢筋混凝土空腹网架结构，而后基于实践研究又创新性地提出了空腹夹层板楼盖结构[3],该类型楼盖结构具有自重小，抗剪刚度大的特点。随着相关研究的深入，空腹夹层板的结构体系得到了很大的发展，如按照建筑楼盖长短边尺寸之比的不同，可选择正交正放、正交斜放等不同的布置形式，跨度过大时可采用U形钢组合结构空腹夹层板等。

近年来，空腹夹层板体系的分支之一钢空腹夹层板楼盖结构的研究与应用十分流行[4-7]。该楼盖属于一种新型空间网格板结构体系，结构采用网格化布局，钢构件尺寸较小，可按照网格单元拼装，便于工厂加工和装配式施工。从工程实践来看，该类型楼盖具有非常良好的经济性指标[8-9]。

如图6所示，钢空腹夹层板由表层混凝土薄板和交叉钢空腹梁组成，钢空腹梁又分为上肋、下肋及剪力键三个基本构件。钢空腹夹层板楼盖的力学模型和钢筋混凝土空腹夹层板相同，可采用基于板-空间梁单元模型进行有限元模拟分析，也可采用基于抗弯刚度等效原则的实用方法进行近似分析。

图6钢空腹夹层板示意图

2.3屋面钢空腹夹层板布置

以图4中的单元3为例，进行钢空腹夹层板结构分析研究。由于单元3大跨屋面的平面长边尺寸Lx与短边尺寸Ly之比小于1.5,该单元钢空腹夹层板屋盖采用正交正放式网格布置，网格均匀划分，考虑柱网的不均性，网格尺寸确定为三种：2 000mm×2 100mm、2 050 mm×2 100mm、2 240mm×2 100 mm,钢空腹夹层板结构平面布置见图7,上、下肋则采用对称设计，截面为H形钢截面[10],参数见表1。

图7钢空腹夹层板结构平面布置图

表1上、下肋杆截面明细

钢空腹夹层板和钢骨梁、钢梁的连接节点采用刚接节点，考虑局部节点加强设计。夹层板屋盖右侧一部分以钢梁为支座，连接处按照刚接设计；另一部分根据暖通风管的布置需求，剪力键置于混凝土梁上，此区域剪力键底与混凝土梁的连接节点按铰接设计，具体节点设计见第4节。

钢空腹夹层板的剪力键构造可参考《装配式空腹楼盖钢网格盒式结构技术规程》(DBJ43/T 351—2019)[11]和文献[12],设计为图8(a)所示的传统方管剪力键。本设计中考虑传统方管剪力键在上、下肋构件腹板处传力较不直接，提出了一种图8(b)所示的新型十字剪力键。为了便于比较两种剪力键的受力性能，将按板厚相同原则进行建模分析，本文算例的剪力键板厚见表2。

表2剪力键腹板厚

图8剪力键示意图

图9实腹梁截面折算示意图

3、结构建模与设计

本工程单元3屋面跨度在18～24m范围内，采用实用方法[11,13]建立YJK等代梁模型进行构件截面设计，再建立SAP2000有限元模型进行结构验算，讨论两种不同剪力键形式的上、下肋应力情况，对比分析实用方法与有限元模型的模拟结果。

3.1上、下肋及剪力键设计

实用方法是指将钢空腹夹层板等效为密肋楼盖，利用实腹梁模型对结构作近似分析。该博物馆上、下肋均为H形钢肋，按抗弯刚度等效为实腹H形构件，如图9所示。上(下)肋的轴力设计值N和剪力键的剪力设计值V可按式(1)和式(2)计算。Ν=βΜLh0 (1)V=VL2(2)

式中：ML为等效实腹梁的计算弯矩设计值；VL为等效实腹梁的计算剪力设计值，取剪力键两侧上(下)肋轴力设计值的差值ΔN;h0为上、下肋的形心距离，为850mm;β为内力放大系数，本工程取1.2。

本工程钢空腹夹层板的上、下肋构件的腹板最小厚度取8mm,翼缘最小厚度取10mm,剪力键板厚最小取8mm。同时，截面厚度受应力比控制，当材料受拉时，应力比限值取0.8;当材料受压时，应力比限值取0.7。

3.2有限元分析

按照图7的布置方案，利用Rhino软件建立单元3几何模型，见图10,并导入SAP2000软件平台建立有限元模型。其中，柱、混凝土梁构件按线单元建模，剪力墙、钢骨梁、钢结构构件按壳单元建模；屋面荷载按面积均摊到钢空腹梁上肋的上翼缘面。

对比YJK实腹梁模型和SAP2000壳单元模型，并对两类模型的模拟结果及其差异性进行探究。首先，基于实用方法的实腹梁模型和SAP2000有限元模型的结构变形结果对比如表3所示。由表3可知：在1.0D+1.0L标准组合工况下，YJK等代实腹梁模型与SAP2000有限元模型的挠度计算值吻合性较好，SAP2000有限元模型因不同剪力键形式的刚度不同会有细微差别。

图10单元3几何模型

图11单元3钢空腹夹层板应力云图/MPa

表3屋面钢空腹梁的跨中挠度

为进一步探究YJK实腹梁模型与SAP2000有限元模型的应力水平(图11)的差异性，取在基本组合工况下屋面跨中与柱顶支座两处最不利位置，即上肋的上翼缘及下肋的下翼缘的平均Mises应力为指标进行对比，得到结果如表4所示。

针对该应力指标的模拟结果，可得如下结论：

(1)在1.3D+1.5L基本组合工况下，YJK等代实腹梁模型和SAP2000模型跨中处和支座处的上、下弦受拉侧翼缘应力水平比较相近，但受压翼缘差异明显，其原因在于SAP2000壳单元模型能够考虑局部次弯矩的影响，而YJK等代实腹梁模型则未考虑这一影响。

表4屋面钢空腹梁的应力/MPa

(2)SAP2000方管剪力键模型、SAP2000十字剪力键模型模拟结果较为接近，十字剪力键整体应力水平较方管剪力键模型略小。

(3)剪力键构造上的不同，会影响上、下肋的局部应力集中情况。以本单元3模型为例，对比图11中边侧局部放大的下肋的应力结果可以发现，在构件板厚相同的情况下，方管剪力键模型的支座构件Mises应力最大值为313MPa,而十字剪力键模型的支座构件Mises应力最大值仅为264MPa,该结果表明，在一定情况下(如端支座为剪力键时),使用十字剪力键可有效缓和空腹夹层板的应力集中情况。

4、节点构造

本工程空腹夹层板边界存在不均匀性，右侧支座刚度有两处突变，有明显的应力集中现象。为改善这一情况，本工程已在该薄弱处增加了两道斜向杆件，用以分担钢空腹夹层板局部较大支座弯矩，该薄弱处的钢骨柱内钢骨延伸出来与钢梁、钢柱进行连接，连接构造如图12所示。

另一方面，对于一般直接与钢骨梁相连的端支座处杆件的应力也相对较大，本工程通过对支座节点增加设置加劲板，达到局部加强的目的，钢空腹夹层板与钢骨梁的连接构造见图13。剪力键与混凝土梁顶连接构造见图14。

此外，研究发现钢空腹夹层板支座端增加图13所示斜向加劲板，也可缓解弦杆应力集中情况。以左侧三个端支座(图11(b)位置1～3)应力结果为例，统计结果见表5,增加斜向加劲板后，最大应力同比下降5%～10%。

表5三个端支座局部最大应力对比/MPa

图12空腹夹层板与钢骨柱的连接构造

图13钢空腹夹层板与钢骨梁的连接构造

图14剪力键置于混凝土梁顶连接构造

5、结论

(1)本工程中大跨钢空腹夹层板屋盖在不考虑楼板的作用情况下，实用方法建立的等代梁模型与壳单元有限元模型挠度结果均接近48mm,约为1/400,挠度吻合度较高，满足结构设计要求。

(2)实用方法建立的等代梁模型相较于壳单元模型，不能合理反应应力集中现象，在截面平均应力最大值尺度上，屋盖跨中处下肋的下翼缘、支座处上肋的上翼缘作为受拉板件，应力较为相近，分别约为200MPa和135MPa,而对于受拉板件如跨中处上肋的上翼缘、支座处下肋的下翼缘，实用方法计算结果明显偏小。

(3)建议实用计算方法仅适用于方案阶段或初步设计阶段进行杆件截面及工程造价估算，若用于施工图设计，需要对支座处应力的计算值进行放大考虑，必要时应采用有限元方法进行复核。

(4)方管剪力键模型和十字剪力键模型在截面平均应力最大值尺度上，结构受力结果接近，差异性较小。然而，受传力路径影响，方管剪力键的应力集中情况更明显，在上、下肋杆件交界处的局部应力往往超过十字剪力键模型，建议采用十字剪力键。

(5)增加钢空腹夹层板在端支座节点的斜向加劲板，可在一定程度降低应力集中水平，降低效果为5%～10%。

参考文献:

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[13]张华刚,胡岚,马克俭,等.空腹夹层板的静力性能分析及其实用计算方法[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2006,35(3):82-87.

文章来源:董隽,袁理明,吴逸枫,等.某博物馆大跨钢空腹夹层板屋盖设计[J].建筑结构,2024,54(17):42-46.

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期刊名称：建筑结构

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