摘要：本文介紹了柳州會展中心鋼結構設計過程中的難點，包括結構分析、異型柱截面代換計算、柱計算長度的取值、復雜節點設計以及狹長樓板振動分析等。通過等效剛度代換，解決了異型柱截面在軟件里無法直接輸入的問題;通過MIDAS及SAP2000軟件對結構進行整體屈曲分析，較好的解決了異型柱計算長度取值難計算的問題;根據工程結構特點，提出了較好的節點處理形式;通過對狹長樓板的振動分析，保證了樓板的舒適性。

　　關鍵詞：異型柱, 計算長度, 屈曲分析, 振動分析

　　1 工程概況

　　柳州會展中心位于柳州市柳東新區，西邊臨柳江，與三江門風景區隔河相望;北鄰城市快速路柳東大道，濱江城市休閑帶;東面與大片的城市風景林帶相接，是聯系柳州老城區與柳東新區的重要空間結點。

　　該項目地下一層，地下面積4628.69m2，地上一層(局部二層、三層)，地上面積31038.24m2，建筑高度30.15m，會展中心鋼結構柱頂高跨跨度64.5m，總用鋼量約9900t。建筑的三維效果圖如圖1，圖2所示。

　　2 結構體系及結構分析

　　該工程平面尺寸為78mx316m，縱向超長，因此將結構縱向劃分為A、B兩個區段。根據平面尺寸特點，橫向采用鋼框架，縱向采用鋼框架+支撐的結構體系，結構的橫向框架剖面如圖3所示。該結構屋面跨度為64.5m，柱距21m，屋面采用管桁架結構體系;由于柱距較大，為了配合屋面的輕鋼結構，在二層樓面處設置縱向人字支撐，用以支撐兩榀橫向框架之間的管桁架，從而減小檁條的跨度，同時提高結構的縱向抗側剛度。

　　

　　由于該工程為復雜空間結構，選用具有強大計算分析能力的三維計算軟件MIDAS7.8版進行結構建模分析。由于建筑軸線為弧形，且造型復雜，故采用三維CAD進行輔助建模，

　　在CAD里完成三維線條建模后，再導入MIDAS軟件，在此基礎上進行整體建模，整體模型如圖4、圖5所示。通過MIDAS的整體計算分析，在地震與風荷載的作用下，A區結構的第一周期為1.06s(平動)，第二周期0.57s(扭轉)，第三周期0.42s(平動)，周期比0.57/1.06=0.54小于0.9，滿足要求;地震作用下最大側向位移1/4195，風荷載作用下最大側向位移1/7976，滿足設計要求。

　　

　　3異型柱的截面等剛度代換

　　本工程采用的柱截面形式有多種，包括箱型的，“日”字型的，以及 “雙目”字型截面等，對于“雙目”字型截面，軟件無法直接輸入，為計算簡便，采取等剛度代換(包括抗彎剛度與軸壓剛度)的原則把異形柱截面代換為常規的箱型截面。

　　4異型柱的計算長度的確定

　　由于建筑外形的需要，柱子采用異型純鋼柱(折型柱，詳見圖3)，不同于常規的直柱，所以對于本工程，柱子的計算長度如何確定是關鍵。根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)，計算長度的計算方法有兩種：一種是以多項假定為基礎，分別對框架結構有側移、無側移情況建立臨界狀態的平衡方程，求解框架柱的計算長度系數;另一種是對框架結構施加假想水平力的近似二階分析方法。而本工程結構體型復雜，屬非常規結構，規范提供的兩種計算方法并不適用，故本工程采用整體屈曲分析進行求解，具體過程為：

　　(1)對給定的荷載組合采用線性分析方法對結構進行分析，得到所有柱子的軸力;

　　(2)以這一荷載工況的組合軸力pj作為標準，乘以屈曲因子;

　　(3)形成有限元分析的剛度矩陣，進行特征值分析，得到臨界荷載因子;

　　(4)求得臨界荷載，利用歐拉公式臨界力Ncr=π2EI/l2，反算桿件的計算長度。

　　采用MIDAS軟件對結構進行特征值屈分析，考慮的工況為1.35恒載+0.98活載。如圖6所示，結構在第120 模態時柱子發

　　

　　生明顯的屈曲，此時對應柱子的臨界軸力為Pcr=24540kN，由歐拉公式反算出異形柱計算長度l=41.6m。為保證計算結果的準確性，采用同樣的方法，用SAP2000軟件進行復核計算，計算結果為異形柱計算長度l=38.5m，實際設計時，取MIDAS計算結果，即柱計算長度取41.6m。

　　5 節點設計

　　本工程為空間復雜結構，節點形式較為特殊，本文著重介紹以下幾處節點：

　　(一)直柱與斜柱連接節點：直柱與斜柱相交形成“單K”或“雙K”節點，節點形式按方管與方管相貫處理，相貫處增加橫向隔板;

　　(二)縱向柱間斜撐與管桁架連接節點：按類似球形支座節點進行設計，如圖7所示;

　　(三)屋面管桁架節點：該節點為圓管與圓管相貫節點，按鋼結構規范要求進行計算及構造要求;

　　(四)斜柱柱頂與管桁架連接節點：屋面管桁架與框架斜柱連接按相貫節點處理，柱子與圓管相貫部位增加構造加勁肋，如圖8所示。

　　6狹長樓板振動分析

　　該結構有部分樓板區間為3mx21m，屬于狹長樓板，考慮到人在行走時樓板容易產生振動，從而影響人的舒適度，因此有必要進行樓板振動分析。文獻[1]提供了樓板振動分析的計算方法，主要包括豎向自振頻率fn的控制(滿足fn≥3Hz)和峰值加速度的控制(滿足ap/g=p0e-0.35fn/βω)≤a0/g)，本文計算結果為fn=7.8Hz>3Hz，ap/g=0.288%<0.5%，滿足設計要求。

　　

　　7結語

　　隨著建筑技術的發展，鋼結構在多高層建筑尤其是復雜空間建筑領域得到了廣泛應用，本文結合柳州會展中心的鋼結構設計，對復雜結構中出現的柱計算長度取值問題、柱等效剛度代換問題、復雜空間節點問題以及非常規樓板振動問題等提出了較好的處理方法，對類似工程有借鑒作用。

　　參考文獻

　　[1]徐培福. 復雜高層建筑結構設計[M]北京：中國建筑工業出版社

　　[2]張建軍，劉瓊祥，郭滿良等. 深圳大運中心體育場空間鋼結構桿件計算長度研究[J]建筑結構學報2011,32(5)：39~47;

　　[3]童根樹. 鋼結構設計方法[M]北京：中國建筑工業出版社2007;

　　[4]王勖成. 有限單元法[M]北京：清華出版社2003;