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溫州世貿中心大廈C座鋼結構構造設計

 

摘 要 引見一瞳細長、T-規定、構件及材料品種多、連接類型多且簡單的全鋼結構高層建筑的構造做法，對鋼板Z向功能的請求、鑄鋼件的構造設計及技術請求，可供相似L-程設計參考

 

1、工程簡介溫州世貿中心大廈C座為全鋼結構，立體外形為長202 n1，寬0～41 m 的梭形(圖1)，地上13層，高51．4～62．2 m，因為運用性能及建筑造型的需求，本工程結申句方式簡單，采用的鋼材品種多、構件類型多、節點方式多。構造設計既要滿意結構受力的請求，還要滿意工場制造、運載及現場施工的請求。． 警 臻壤{ 暴 疊 瓣由于本工程的簡單性，對丁簡單、主要的節點用有限元辦法運作實踐分析，并對三種典型框架節點做了抗震實驗。

 

2、連接節點的構造設計

2．1 圓柱與框架梁的連接

2．1．1 中問層圓柱Lj框架梁的連接鋼框架柱的施工單元采用帶外環板的懸臂梁段的柱貫穿型單元，兩層為一個 元，柱高8．4 m，柱工地接頭設于主梁頂面以上1．0 m處。梁的施工單元為每跨一根。帶外環板的懸臂段與框架梁相連，上、F翼緣采用全熔透工地鉚接，腹板采用10．9級高強度螺栓沖突型連接(圖2)。為了防止應力集合，采用圖2a所示無折點平滑過渡的弧形環板。為外環板拼接處外環翼飯緣厚l{度l最同厚相者連 梁II tl ^ Il t1 、’ 逐個12啄自U勁板a一節點立體；b一柱單兀圖2 兩頭層圓鋼柱與梁連接節點預防弧形環板受壓力時屈曲，在上、下環板之問設加勁板，采用角焊縫鉚接。環板與柱之問在工場采用全熔透等強鉚接，腹板與柱采用雙面貼角焊。假如外環板采用無拼接全體下料，則鋼材糜費較大，為了*本I：程失去了黃宗瑜傳授級高工的指點．特此致謝。加入本工程的還彳f楊曦、唐思民、樸擁軍優屬、王立維等。第?作暫：何建波男1961年7月死亡中國一級注冊結構師收稿日期：2004—05—30Steel Construction．2004(6)，Vo1．19，No．75 1 m高層鋼結構縮小因鋼材下料形成的糜費，設計上答應外環板拼接，拼接地位在應力值較小的45。處，但請求錯開加勁肋地位，以防止焊縫堆疊，外環板拼接焊縫采用全熔透等強鉚接。鋼構件在工場鉚接成施工單元，在工地現場與梁拼裝。因為運載的制約，懸臂段長短與柱直徑總長掌握在2．4 ITI以內。

 

2．1．2 頂層圓柱與框架梁的連接頂層圓柱與框架梁的連接在構造上有別于兩頭各層(圖3)，若頂層仍采用中問各層的構造，在柱頂需設置封頭隔板(圖3b)，這種連接方式在鉚接和受力時簡單發生柱壁鋼板層狀撕裂原因。在節點設計三一 外環板薄厚 豐H連梁冀緣中最厚者Il Il 、 一12厚加勁板中，節點的構造應防止采用束縛度大和易發生層狀撕裂的連接方式。有兩種構造計劃可取舍：1)在圖3b的基礎上將圓柱端頭伸出接頭焊縫區，伸出長短不小于柱管壁薄厚(圖3c)；2)將上環板下料成不開洞的整板與柱相連(圖3d)。兩種構造方式中計劃1能好轉、計劃2能預防鉚接時柱壁鋼板的層狀撕裂。本工程屋面大全體為無鋼筋混凝土樓板的玻璃采光屋面，建筑請求屋面結構平坦，無凸出結構部件，因而計劃1使不得滿意建筑請求。本工程采用計劃2，即上環板全體下料，可防止層狀撕裂的原因涌現，并縮小了一圈焊縫，有余之處是鋼板下料糜費較大。封頭隔板 封頭隔板一 l一1240(J，a ba 節點立體；b一不應采用的連接；c一可采用的連接；d圖3 頂層圓鋼柱與梁連接節點

 

2．2 中部轉換桁架與柱的連接

 

2．2．1 節點處構造中部轉換桁架上、上弦桿采用箱形截面，尺碼為800 mm X 800 mm，壁厚50 mm。腹桿采用 10、壁厚36 ITtrlq．的鋼管。因為建筑請求，腹桿與弦桿連接時轉換成十字板連接。支承桁架的框架柱采用形截面，在與弦、腹桿連接的部位柱截面變為口外形。中部轉換桁架是該工程最主要的受力構件之一， 除思忖桁架本身滿意各種工況的受力及變形請求外，桁架與柱的連接構造便變化設計的重點，構造上要保證連接處受力牢靠、傳力明白、鉚接結實、易于安裝。桁架與柱的連接焊縫若設置在柱邊，則焊縫將坐落受力最大處，況且現場拼接焊時其各構件已在于束縛形態，桁架下弦上翼板采用圖4b所示連接形式在鉚接時易涌現柱翼板(板厚50 ram)的層狀撕裂，采用圖4c所示連接形式則焊縫與柱截面焊縫具有全體沉積原因。本工程采取桁架上、上弦桿連接面外移至距柱邊600 mm處鉚接(圖4d)，將節點本工程采用的連接七蓋板全體下料d處柱兩側翼緣鋼板容納外伸段600 mm 全體下料(圖4e)，某個尺碼是依據運載請求而決議的(請求構件最寬處≤2．4 ITI)。在桁架上、上弦桿的翼板處按標準?請求應在柱內設置隔板，但口形柱兩頭兩區格不管采取任何鉚接辦法，都無奈保證隔板四邊均與柱腹板鉚接。本工程采取往口形柱兩頭兩區格灌C40混凝土的形式來好轉其傳力功能，其他四邊區格仍采取加隔板的構造措施(圖4f)。

 

2．2．2 桁架弦桿拼接焊縫構造桁架上、上弦桿與柱連接采用直縫現場鉚接，那樣下翼板焊縫管保會涌現仰焊，如此大的焊縫采用仰焊其安裝難度大，且焊縫品質也不易保證。為了防止仰焊，桁架在制造時取掉一塊上翼板入口箱形斷面內鉚接下翼板(800 mm X 800 mm的箱形斷面內有剩余的鉚接空間)，最初焊上小塊上翼板，一切連接焊縫均采用二氧化碳氣體掩護電弧剖口焊。因為桁架外露，為保證建筑美妙請求，桁架弦桿下翼板采用不加墊板反面清根的剖口焊，其他剖口焊反面均加鉚接墊板。2 鋼結構2004年第6期第19卷總第75期I．弦I 篼板 拄頂隔板柱頂隔板外伸 鋼柱內灌c l混凝土a 連接 ；b 易廣：'t- 狀撕裂的鉚接；C一焊縫沉積的鉚接；d一采用的鉚接；e 鋼柱側板下料；f 節點處鋼柱斷面圖4 『}1部轉換桁架 柱連接陶5 桁架弦桿拼援

 

2．3 對鋼材Z向功能的請求《建筑抗震設計標準》(GB 50011—2001)規則：采用鉚接連接的鋼結構，當鋼板厚不小于40 mm且接受沿板薄厚方向的拉力時，應按《薄厚方向功能鋼板》(GB 50313—85)的規則，板厚方向的斷面膨脹率不應小于該規范ZI5級規則的答應值；《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99—98)對此的請求是鋼板薄厚等于或者大于50 mm。《建筑鋼結構鉚接規程》(JGJ 99—91)規則：對較厚的板件(≥ 25mm)，在T形接頭、角接接頭和十字形接頭中應采取預防層狀撕裂的措施。標準規則的厚鋼板Z向功能ZI5是最低請求，莫須有層狀撕裂的要素很多，如鋼材的含硫量、節點設計的正當性、鉚接工藝的正當性等。設計中要留意不要認為厚鋼板有了ZI5的保證就能夠萬事大吉，對簡單的連接應運作層狀撕裂風險性指數(LTR)? 評估，以確保連接的牢靠性。對本工程中鉚接簡單且鋼板薄厚大的構件——中部轉換桁架與柱連接處的柱斷面(圖6)運作層狀撕裂風險性指數(LTR)評估，考證ZI5級能否滿意層狀撕裂的請求，要不經過取舍正當的鉚接工藝和進步鋼板的Z向功能級別來滿意請求。在桁架與柱的連接處，柱截面方式為圖4f所示，其組合焊縫在節點區域均請求全熔透焊，為了減小鉚接變形及對鋼板層狀撕裂的莫須有，過分采取雙面剖口焊及窄間隙焊。對圖6中的鉚接接頭運作層狀撕裂綜合風險性系數(ELTR)打算：ΣLTR=INF(A)+INF(B)+INF(C)+INF(D)+INF(E) (1)式中 INF(A)—— 焊縫無效薄厚的莫須有取0．3S，S為焊縫無效薄厚；INF(B)—— 鉚接方式的莫須有；INF(C)—— 接頭橫向拘謹的莫須有取0．2 ；INF(D)—— 拘謹度的莫須有；INF(E)—— 傳熱條件的莫須有，不傳熱取0，傳熱量度>100℃時取一8。鉚接接頭1：ΣLTR=33．7鉚接接頭2：ΣLTR=25．9鉚接接頭3：ΣLTR=22鉚接接頭4：ΣLTR=75fJ 8(J圖6 與桁架連接處的柱斷面鉚接表1示意層狀撕裂綜合風險性(ΣLTR)水平相反所請求的鋼材薄厚方向斷面膨脹率 值，ELTR值為實踐工程中各種莫須有要素的總數。依據《薄厚方向功能鋼板》(GB 5313—85)中綴面膨脹率 與鋼材Z向級別的對應聯系可知：接頭1、接頭2請求鋼板Z向功能級別為Z35，接頭3請求鋼板Z向功能級別為Z25，接頭4可不請求鋼板Z向功能。據此本工程請求此全體的80 mlTl厚鋼板Z向功能達Steel Construction．2004(6)，Vo1．19，No．75 3板槽焊鋼開塞㈣逐個一維普資訊 http://www.cqvip.com高層鋼結構到Z35級，50 mm 厚鋼板Z向功能取得Z25級請求，同聲鉚接時請求傳熱，傳熱量度>100℃ 。表1 ~．LTR與對應的 請求值LTR請求的 ／％均勻值 最小值

 

2．4 鑄鋼件構造本工程1～2層為十字形和H三H形柱，以上各層為圓管柱，轉換桁架上也為圓管柱，采用上圓下方鑄鋼件作為兩種方式柱及轉換桁架上柱的過渡，共用鑄鋼件116個，鑄鋼節點系初次在我國高層鋼結構框架中運用。其頂用量最大的鑄鋼件方式見圖7，該鑄鋼件重1．58 t。鑄鋼件上連圓管柱，下連十字形柱(與鑄鋼件連接處十字柱變為方形柱)，豎向拐點地位即是連接H型鋼框架梁高低翼緣的地位，錐臺高低各設一道隔板，既然H型框架梁連接受力的需求，同聲也是加強鑄鋼件全體剛剛度的需求。鑄鋼件壁厚依據鑄鋼與框架柱鋼材的設計強度折算而來。。l2—2。圖7 十字柱與圓柱轉換鑄鋼件鑄鋼件采用砂型冶煉辦法制作，構造上一切內折角務必做出圓角，同聲兩頭兩隔板務必開洞再不脫模，內折角的圓角半徑及隔板開洞大小先依據砂型冶煉工藝請求初步肯定，再用有限元軟件運作鑄鋼節點受力分析并運作全部尺碼調動。本工程對鑄鋼節點運作了低周重復荷載抗震實驗和靜力實驗，實驗表明節點能滿意受力及延性的請求。為保證鑄鋼節點滿意設計請求，對鑄鋼件的力學功能、化學成分、延性、可焊性、外觀、制作、檢驗等提出了務必滿意的條件，以保證鑄鋼件的順利使用。表2為本工程“鑄鋼件交貨技術條件”中形狀尺碼答應偏偏向的請求，對無奈用野生丈量的壁厚，請求用測厚儀丈量。表2 鑄鋼件尺碼偏偏向請求

 

3、終了語鋼結構構造措施應容納：防止采用有應力集合的構造；設計中應過分防止有層狀撕裂原因的連接方式；防止采用有層狀撕裂原因的鉚接形式；防止采用地面仰焊的連接形式等。為了保證最正當的構造設計，設計中需求鋼結構制造及施工機關的參與，那樣能力肯定出正當、可行的計劃。

 

1 國家鋼結構協會 建筑鋼結構安裝手冊．北京：國家方案塔斯社，2002試件所受量度越高，其屈從強度越低；

 

2)有軸向束縛的構件，低溫時發生量度應力，且量度越高，量度應力越大；

 

3)量度應力可引起構件毀壞，因為對超靜定結構耐火設計時必需思忖；

 

4)常溫下可保證全部穩固性的型鋼截面，低溫時可發生全部失穩，進而引發構件全體失穩。