巨型装饰飘架结构的研究与分析

赵格 黄戴春 马龙 陈恩明 梁博

摘要：巨型飘架最显著的优点是可以满足大开洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范围内，可以按需要设置大空间的无柱中庭、展览厅和多功能厅等。本文根据工程实例介绍了巨型装饰飘架结构及其特点，论述了巨型装饰飘架结构的设计方法和抗震方面的性能分析，并结合实际工程创造性的提出柱脚“半刚半铰”的设计方式，不仅满足工程要求，而且经济便于实施。

关键词：巨型装饰飘架结构；造型设计；抗震性能；柱脚设计

一、 前言：

巨型结构是由大型构件（巨型梁、巨型柱和巨型支撑）组成的主结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。从平面整体上看巨型结构的材料使用正好滿足了尽量开展的原则，可以充分发挥材料性能；从结构角度看巨型结构是一种超常规的具有巨大抗侧刚度及整体工作性能的大型结构，是一种非常合理的超高层结构形式；从建筑角度看巨型结构可以满足许多具有特殊形态和使用功能的建筑平立面要求，使建筑师们的许多天才想象得以实施。

屋顶飘架一般以钢结构框架形式展现，在遮阳上是有节能的效果，但更多的是用来装饰造型用的，造价比较高。现代建筑在符合结构力学的基础上，采用几何外型设计达到建筑美感要求，巨型装饰飘架这一结构形式应运而生，开始流行于商业、住宅等建筑中。巨型框架最显著的优点是可以满足大开洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部范围内，可以按需要设置大空间的无柱中庭、展览厅和多功能厅等。

二、工程概况及特点

我公司借鉴以前钢框架的设计经验，对日月广场钢结构屋顶飘架项目进行开发，有助于我公司对巨型飘架设计积累经验，优化设计方案，增强设计实力，进而提升在海南省钢结构领域中的竞争力，对于市场开发有着重要的的意义。

本工程的钢柱均为φ350x12圆管型材，钢梁为HM600x300、HM600x350热轧H型钢，次梁为HN400x200热轧H型钢，材质均为Q235B。本工程设计有以下特点：

1.造型多样：本工程共包含12个流线型单体，每个单体造型各异，互不相同，造型优美。

2.抗震设计复杂：每个单体外形的多样性，使得抗震设计变得复杂。在弯曲的梁处抵抗地震力的受力分析不易计算。

3.结构整体稳定性：由于工程下部为钢筋混凝土结构，上部增加钢结构飘架，钢筋混凝土与钢材两种材料的侧向刚度、阻尼比、弹性模量等都不相同，如何使两种材料紧密结合，从而使结构整体稳定性满足要求，显得尤为重要。

4.梁柱连接节点设计多样：由于结构外型的严格要求，梁柱连接节点设计变得更加多样化和复杂化，并且要考虑施工的可操作性。

三、设计过程

本项目以设计院图纸要求和国家相关规范为研究设计依据。主要研究内容有：多样化造型设计，周期位移设计，抗震设计难点，柱底连接方式设计等。

1）多样化造型设计

本项目根据建筑使用功能要求，将单体外围设计为圆弧形状，在拐角圆弧处尽量考虑施工的可行性。将外形圆弧设计为悬挑梁，内圆弧直接与柱相连，作为主梁。单体内部设圆弧梁，与外边缘圆弧呼应，造型美观。结构的主次之分明确，主结构和次结构均可灵活布置。

2）周期位移设计

本工程在使用PKPM软件建模时，考虑到巨型飘架一般为装饰性构件，具有“大开洞，无楼板”的特点，选择“全楼设膜”这一周期位移设计假定。该假定是采用平面应力膜单元真实计算楼板的平面内刚度，同时忽略楼板的平面外刚度，即假定楼板平面外刚度为0。

3）抗震设计

由于巨型钢结构的大型复杂性，使其受力性能和破坏机理、制作和安装等都相应增加了难度。由于本工程严格的外型要求，使得结构不规则。抗震设计中，合理布置钢梁位置就尤为重要，尽量满足两个主轴方向等效惯性矩最大原则，避免单悬挑，提高结构的有效质量系数，使更多的构件参与到抵抗地震力作用中。

4）柱脚设计

利用计算软件PKPM进行钢柱柱脚设计时，由于原钢筋混凝土结构的限制与结构稳定性的要求相冲突，无法完全使用刚接节点设计，考虑到巨型飘架的装饰作用和造价的经济合理性要求，创造性采用“半刚半铰”的柱脚节点设计。尽量让柱脚刚性一些，同时控制长细比满足要求，增加自身稳定性。

四、技术创新点

通过本项目研发的设计方法符合技术标准、规范要求，主要技术指标、方案的可实施性等均以达到客户的要求，得到客户的充分认可。

本项目的技术创新性与先进性主要体现在以下几方面：

造型设计

以建筑使用功能为背景，满足使用要求，丰富建筑立面，进行创造性设计巨型飘架产品外型，使设计方案具有独特性，在建筑造型设计上积累了宝贵的经验。

柱脚设计因工程实际条件限制，柱脚创造性的设计为“半刚半铰”的结构形式。这种设计符合工程实际且简单易行，造价也非常经济。

五、结论

巨型装饰性飘架是一种新型的结构体系，由于其整体刚度大、主次结构传力明确、有利于抗震、施工灵活、造型独特等特点，在工程中应用越来越广泛。但是在分析方法、结构设计及施工安装，特别是结构抗震的研究方面存在着诸多问题，并未给出具体的抗震设计方法。在本文中，考虑巨型飘架具有“大开洞，无楼板”的特点，选择“全楼设膜”这一周期位移设计假定，符合实际结构特点；合理布置钢梁位置，避免单悬挑，提高结构的有效质量系数，使所有构件都能参与到抵抗地震力的作用中；钢柱“半刚半铰”的结构形式。文中所列的分析方法可以很好地解决实际工程的问题，为推动巨型飘架设计起到很大的作用。

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