维斯塔斯矩形钢管空间桁架连廊结构设计
[关键词] 空间桁架,矩形钢管,大跨度连廊
一、工程概况
维斯塔斯风力发电设备(中国)有限公司叶片二期扩建项目位于天津经济技术开发区西区。项目管理单位为丹麦诺和诺德(天津)工程有限公司。本工程已于2007年竣工。本场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，场地特征周期值为0.45s。场地土为中软土，场地类别为Ⅲ类，场地属非液化场地，对建筑抗震属不利地段。基本风压0.55 kN/ m2(50年重现期)，基本雪压0.35 kN/ m2 (50年重现期)。本工程中，新建办公楼(COMMOM BLDG.)位于已建成的叶片一期办公区及生活间(OFFIC & LIVING AREA)东侧，相距13m(轴线距离)。新建办公楼和原有叶片一期办公区及生活间均为混凝土框架结构。业主要求在这两座建筑物之间建造一座架空连廊，形成净宽2m的人行通道。连廊楼面建筑标高4.0m，檐口高度7.1m。连廊的结构平面尺寸为：长12.04m，宽2.12m(轴线距离)。出于人性化考虑，业主要求连廊采用地板采暖。
二、轻钢结构建筑
建筑从立面美学效果考虑拒绝连廊自身有外露立柱落地，从而给结构设计造成了一定难度。由于不能立柱，连廊自身所受重力只能分别传给两端与其相连的新建办公楼和一期办公区及生活间。而原一期办公区及生活间设计并没有考虑承受连廊荷载。为此，要求尽量减轻连廊自重，钢结构成为首选。设计采用了轻钢结构建筑，楼板采用钢铺板，屋面为轻钢屋面，两侧外立面采用全玻璃幕。连廊整体凸显出“轻”的概念。连廊在与一期办公区及生活间连接处，为了避免给原有框架梁产生不利影响，设计了支座钢梁将连廊荷载直接传给原有框架柱。在原有框架柱上通过喜利得植筋设置钢牛腿，支座钢梁与该钢牛腿连接。连廊与新建办公楼连接处，在新建办公楼的框架柱上预留埋件，其上焊接钢牛腿，连廊荷载通过支座钢梁传给该钢牛腿。
在确定连廊楼面做法时，丹麦建筑师最初担心钢铺板太轻，行人走动时可能引起楼板颤动，要求采用压型钢板上浇注100~120厚混凝土的方案，同时也便于地板采暖。而这显然与本工程要求尽量减轻荷载相矛盾。通过初步计算也发现此方案的结构自重太重，超出了原有一期办公区及生活间的框架柱及其下基础的承载能力。为此，改进了楼板做法，采用6mm厚钢铺板上铺20mm厚抗压强度为300KPa的挤塑泡沫保温板，其上再浇注50mm厚水泥砂浆，砂浆中间敷设一层电热丝，最上面铺2～3.4厚卷装环保亚麻地板。这样既能防止楼板颤动又满足了地板采暖的要求。
在确定连廊屋面做法时，摒弃了轻钢结构建筑常用的屋面钢梁、钢檩条、钢屋面板的方案，采用屋面钢桁架构件上直接铺设全防水倒置彩钢岩棉夹芯屋面板，从而保证了轻屋面同时取得了节能环保的要求。
三、空间桁架结构
为了保证连廊整体的空间刚度，采用了钢矩形管空间桁架结构体系，由四个平面桁架在空间围合而成。底面为楼面标高的平面桁架，顶面为屋面标高的平面桁架，正面和背面分别为两立面桁架。问题是由于连廊固有的建筑功能，两端须开口形成通道，从而无法形成一个空间刚度更强的空间六面盒式结构。此时，连廊可视为如下图一所示的空间四面盒式结构。显然，若忽略各平面相交处的连接刚度，即假定各相邻平面为“线铰”连接，则该四面盒式结构将成为空间几何可变体系，侧向刚度为零，无法承受任何横向荷载。可以想见，虽然各平面相交处实际按刚性构造连接，但其仍将无法满足结构整体对横向抗侧刚度的要求。通过PKPM-STS程序分析，在风荷载作用下结构横向层位移为30.7mm，层间位移角为1/99，不满足规范要求。为此，将正面和背面两立面桁架的四根端竖杆在连廊屋面标高处用角钢“夹住”，角钢通过埋件固定在门洞边的混凝土柱上，从而在连廊屋面四个角部限制空间四面盒式结构的顶部横向侧移。连廊楼面标高平面桁架、屋面标高平面桁架、正背立面桁架以及典型详图如下所示。
四、下降式斜杆的平行弦杆桁架
在立面桁架设计时，优选了如下图所示的下降式斜杆的平行弦杆桁架。在上弦单位节点荷载作用下，各杆件的轴力标注如图。此时，其受力特点为：上弦受压，下弦受拉，竖腹杆受压，斜腹杆受拉，受拉端斜杆轴力最大，合理的发挥了杆较长者承受拉力的优越性。在节点荷载作用下，整个平行弦杆桁架受力简洁明确。
五、《钢结构设计规范》GB50017-2003(以下简称《钢规》)第10.3.4条的理解
矩形管节点主要有以下几种破坏模式：主管平壁因形成塑性铰线而失效，主管平壁因冲切而破坏或主管侧壁因剪切而破坏，主管侧壁因受拉屈服或受压局部失稳而失效，受拉支管被拉坏,受压支管因局部失稳而失效，主管平壁因局部失稳而失效;有间隙的K、N形节点中，主管在间隙处被剪坏或丧失轴向承载力而破坏等。有时几种实效模式同时发生。《钢规》第10.3.4条根据国内外相关资料和实验数据对矩形管节点作了较详细的规定，给出了相关计算公式，对设计提供了指导。但笔者在应用时曾有如下几点疑惑：
1.该条文规定“……为保证节点处矩形主管的强度，支管的轴心力Ni和主管的轴心力N不得大于下列规定的节点承载力设计值：……”。接着该条文对支管在节点处的承载力设计值Nipj的计算公式按节点形式(T/Y和X形节点、有间隙的K形和N形节点以及搭接的K形和N形节点)分别予以列出。对上述条文，笔者曾一度产生歧义，误认为关于节点承载力须同时满足以下两个不等式：Ni≤Nipj和N≤Nipj。后经查阅文[3]的相关资料，才得知此处是须满足Ni≤Nipj和N≤Npj。而不等式“N≤Npj”仅适用于有间隙的K形和N形节点。该条文对有间隙的K形和N形节点有如下规定：“……2)节点间隙处的弦杆轴心受力承载力设计值为：Npj=(A-αv Av)f (10.3.4-12)……”。笔者认为此处如果规范对这“N≤Npj适用于有间隙的K形和N形节点”加以明确就更能让设计人员理解透彻了。
2.该条文规定“……3 支管为矩形管的搭接的K形和N形节点(图10.3.4d)：搭接支管的承载力设计值应根据不同的搭接率Ov按下列公式计算(下标j表示被搭接的支管)：
此处，笔者也曾疑惑，上式中Njpj如何计算。后查阅文[3]的相关资料，才知道Njpj同样通过公式(10.3.4-14)~ (10.3.4-16)计算。同样的，如果规范在此对Njpj计算方式加以明确就能让设计人员理解更透彻些。
3.对如下图所示的三角形腹系再增加竖杆(或斜杆)的屋架节点，《钢规》没对其加以详述。笔者觉得以后《钢规》升版时值得将其加以补充，以利于指导设计实践，因为这样的三角形腹系再增加竖杆(或斜杆)桁架节点在实际工程设计中很常见。通过查阅相关资料，发现文[3]对此情况下的节点承载力计算作了简要介绍：计算其容许的腹杆内力时，仍可按K、N节点公式进行，但应用(b1+b2+b3)/3b代替(b1+b2)/2b。此时，验算原则为：在同一节点内应控制任意两同号腹杆内力竖向分量之和应小于等于另一异号腹杆节点允许承载力的竖向分量。
参 考 文 献
[1].《钢结构设计规范》(GB50017-2003).中国计划出版社，2003.
[2].《建筑结构静力计算手册》. 中国建筑工业出版社，1974.
[3].包头钢铁设计研究总院、中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.《钢结构设计与计算》第二版.机械工业出版社，2006.
