深圳市地铁大厦屋顶钢结构设计

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深圳市地铁大厦屋顶钢结构设计

刘文清 刘相仁

(中建国际（深圳）设计顾问有限公司，深圳518033)

提  要 深圳市地铁大厦为一超高层建筑物，在其屋顶部设有大小跨度的两个钢结构，其中大跨钢结构为主塔楼的屋盖，其跨度及高度均较大且自重大。本文主要对大跨钢结构的设计进行了详细的介绍。

关键词 超高层建筑，钢结构，桁架，弹性支座，相贯线节点

1．概况

深圳市地铁大厦位于深圳市新中心区福中路与金田路口，北面是莲花山花园，东面是高层住宅区，西面是青少年宫，南面是规划高层办公建筑。本建筑物地下四层，地上三十六层，总高151.5米，是一超高层办公建筑。其位于七度抗震设防区。采用框架（稀柱）核心筒结构体系。主楼平面尺寸为28.7m x 58.8m。按建筑立面及功能要求，自标高127.45及132.25米起，分别设计了大小跨度的两个钢结构。大跨钢结构跨度20.8米，高24米；小跨钢结构跨度4.25米，高度19米，均为单跨，柱距4.2米。按建筑立面要求，这两个钢结构要完全脱开，其间不得有任何杆件连接，使立面更有雕塑感（见图一）；同时对梁柱的形式也有美观上的要求，即只能做成单向圆管式桁架；按建筑功能要求，大跨度钢结构的屋面为避难层，为方便外墙清洁，屋面设有擦窗机，并布置了擦窗机的轨道，竖向荷载较大。

2．抗侧力结构方案确定

上述要求（见概况），增加了结构设计的难度。深圳的风荷载较大，100年一遇的风压

刘文清，女，1966出生，高级工程师，国家一级注册结构工程师

标准值为0.9kN/m2。为解决在如此高度处大跨度钢结构承受的水平力的传递问题，自标高132.25米起对称地将主楼内部的8.9m x 9.2m的核心筒剪力墙上升至大跨钢结构屋顶（见图二），同时使大跨钢结构杆件与核心筒剪力墙可靠连接，以利用核心筒做抗侧力结构来传递水平力。钢结构柱脚若为刚接，则要求其下的钢筋砼转换梁或框架柱的刚度足够大，以承担其传来的较大内力。经计算分析，我们认为此种做法不经济，也不甚合理。故柱脚按铰接处理，这样就要求钢结构屋面的刚度足够大，实际屋面做成150mm厚钢筋砼组合楼板，镀锌压型钢板1.0mm厚，并与核心筒可靠连接，以保证能将水平力有效地传递至核心筒。（结构平面布置图及剖面图见图三、图四）

3．钢结构计算

作为抗侧力结构的二个核心筒直接升至屋面，来承受钢结构部分传来的全部水平力。核心筒及钢结构杆件的平面布置见图二。从图中可以看出，钢结构共有14榀。因核心筒的刚度很大，为使计算模型更为接近实际情况，将核心筒刚度简化为单榀钢架上的弹性支座作用在钢结构屋架的上弦杆上，每榀设5个弹性支座。计算过程如下所述。

3.1作用在大跨钢结构上的荷载

屋面恒荷载： 7.0kN/m2

局部屋面采光窗恒荷载： 2.0kN/m2

上人屋面活荷载： 4.0kN/m2

屋面擦窗机： 70kN/台

墙面玻璃幕墙恒荷载： 2.0kN/m2

此标高上的风压值： 4.0 kN/m2

地在粗糙类别：C类

地震设防烈度：7度 地震分组：I 组

3.2钢屋架上弦杆弹性支座刚度的计算

核心筒的长边为9200mm，宽边为8900mm，平均壁厚为500mm。

其计算简图如下：

两座核心筒的截面惯性矩为：

Icon = mm4

混凝土核心筒分配到每榀钢架上的惯性矩：

I each = 

核心筒采用C40标号混凝土，其弹性模量Econ = 3.25 x 104 N/mm2。

根据挠度公式，可以推导出单榀钢架上弹性刚度：

K= N/mm

分配到桁架上弦5个弹性支座，作用在单个弹性支座上的刚度：

 N/mm，取Keach为50000N/mm。

3.3钢结构的结构计算模型

3.4计算结果

整体计算，我们采用中国建筑研究院的PKPM系列中的SATWE程序计算风及地震作用；钢结构部分计算主要采用同济大学的3D3S程序，同时采用SAP2000进行校核。所有钢材质为Q345B。计算结果如下：大跨度钢结构桁架梁上下弦采用Φ299x14钢管，上下弦杆中心线间距2.1米，其最大应力比为0.42；桁架梁腹杆采用Φ203x14钢管，其最大应力比为0.24；大跨度钢结构桁架柱弦杆采用Φ299x14钢管，两弦杆中心线间距1.5米，其最大应力比为0.54；桁架柱腹杆采用Φ152x12钢管，其最大应力比为0.33；H型钢柱采用H900x450x16x36，其最大应力比为0.21，其最大长细比为95.3。弦杆最大应力比小于0.65，其余杆件最大应力比小于0.70。大跨度钢结构最大水平位移为10.2mm，最大竖向位移为13.7mm。两铰支座水平剪力和为138.0kN。位移及水平剪力比无核心筒大跨度钢结构小很多。按《钢结构设计规范》及其他文献要求，所有圆钢管径厚比D/t ≤ 100 x 235 / 345 = 68，[1]支管管径与主管管径之比均大于0.3，支管管壁厚度与主管管壁厚度之比均大于0.2。

4．构造措施

4.1 为保证钢结构的稳定性，各榀屋面桁架梁间每隔4.4米设置一道垂直支撑；在屋面采光窗处的桁架梁上弦处设置水平支撑；钢管柱间沿竖向每隔4.8米设置纵向水平支撑；纵向端开间钢管柱间各设置一道垂直支撑；山墙采用抗风桁架柱；屋面采用150mm厚钢筋混凝土组合楼板。

4.2 柱脚预埋件按抗震要求进行配置：锚筋在梁或柱中锚固长度取锚筋直径的30倍，锚板的厚度取36mm，大于锚筋直径的1.3倍，锚板与其上钢柱的连接采用全熔透焊缝。锚筋截面面积大于柱下端截面积的20％。[2]

4.3 为保证屋面钢桁架与钢筋砼组合楼板的良好连接，在上弦钢管的两侧加焊两条L80x10通长角钢，角钢上熔焊Φ22抗剪栓钉，间距为230mm。为保证混凝土核心筒钢筋混凝土屋面板同组合楼板连接可靠，要求其板内钢筋伸入组合楼板内。

4.4 屋面钢桁架梁弦腹杆有条件的直接伸入混凝土核心筒墙内，弦杆的上下表面熔焊Φ22抗剪栓钉，间距为180mm，以保证与砼有效地结合成一体。

4.5 为减小H型钢柱的长细比，将部分H型钢柱通过圆钢管与邻近的剪力墙连接做侧向支撑。为保证H型钢柱的侧向稳定，每隔4.8米高在钢柱间设置H型钢梁，同时梁柱间采用刚性连接。

4.6 钢桁架梁、柱大部分杆件为圆钢管，为使得结构美观大方、安全可靠，钢管间要求采用相贯线焊接，且焊缝要求全熔透。

5．结论

对于设置在超高层屋顶上跨度、高度及自重都较大的单跨钢结构，只要选择好较好的抗侧力结构，同时采取足够有效的措施保证钢结构的水平力能传递到抗侧力结构上，可以实现建筑对立面的美观要求及保证结构的安全可靠。

参 考 文 献

[1] 《钢结构设计规范》GB50017-2003

[2] 蔡益燕，日本大力加强钢结构柱脚的抗震性能，钢结构，2003