浅谈玻璃长廊中对钢结构的分析

摘　要：某综合体工程存在长100米，宽21米的玻璃长廊，拟采用钢结构支架支承。对该钢结构支架的自身强度、承载力、变形能力进行验算；同时，考虑下部混凝土结构的变形对钢结构支架的影响；此外，通过整体稳定有限元分析，有效地减小了构件断面。

关键词：玻璃长廊，钢结构支架，整体稳定有限元分析
一、引言
　　随着我国经济的迅速发展及钢材产量的日益增加，钢结构长廊在建筑行业得到广泛的应用。钢结构一方面可长廊化制作，减少现场施工的工作量，施工周期短，同时由于其自重轻、结构荷载小，减少了地基处理的工作量和费用，并有利于抗震，给投资方带来较好的经济效益和社会效益；另一方面由于其材料本身的性能好，强度高，与钢筋混凝土结构相比结构断面小，在长廊布置中可以节省一部分空间，更容易满足工艺灵活布置的要求。根据现行《钢结构设计规范》的规定，承重结构应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计，而承载能力极限状态包括构件与连接的强度破坏、疲劳破坏和因过渡变形而不适应继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和倾覆；正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用或耐久性能的局部破坏。然而一般设计人员多关注结构的强度与变形问题，对结构稳定问题的关注程度远远不够。根据笔者在钢结构设计中的一些经验，认为一个成功的玻璃长廊钢结构设计必须解决好其稳定设计及构造措施的问题，且在使用规范过程中尚应避免孤立或片面地对规范条文进行理解。
　　二、工程概述
　　某塔楼裙房屋面在N-02~N-05轴线间存在长度达100米，宽度达21米用于覆盖走廊的玻璃罩，玻璃罩大部分是从FL.05M(标高+21.700m)与FL.05(标高+23.700m)开始，但在N-X轴线以北存在一部分从FL.01(标高+0.00m)开始的玻璃罩。
　　考虑到钢结构截面较小，对建筑立面的影响小，并且可以在主体结构完工后再施工上面钢结构部分，因此玻璃罩的支承系统采用钢结构。由于部分支承玻璃连廊的钢架构支架从裙房混凝土结构楼面升起，部分从地面升起，因此钢结构支架柱的长度不一致，计算长度也不一样，其对稳定的要求也不一样。
　　由于钢结构柱的长度不一致，嵌固位置不一样，因此采用大型空间结构分析有限元程序Sap2000进行分析。
　　二、线弹性的分析
　　对于支承玻璃罩的钢结构系统，进行了竖向荷载、风荷载、地震作用、温度作用以及支承钢结构系统的下部混凝土结构的相对位移作用下的受力分析，以验算其是否具有足够的承载力和刚度。
　　(1)在竖向荷载(DL+LL)作用下，钢结构系统的变形如下图所示，其最大挠度为41mm，为其跨度(21m)的1/512，满足规范不大于1/400的要求。
　　(2)在风荷载和地震作用下，钢结构的变形见下图，在风作用下的最大侧移为27mm，层间位移角为1/407，满足《钢结构设计规范》GB50017-2003中层间相对位移不超过1/400的要求；在地震作用下最大侧移为3mm，层间位移角为1/3667，远小于抗震规范的限值1/300。

　　风荷载作用下变形简图地震作用下变形简图
　　(3)在30摄氏度温差作用下，钢结构中产生的轴力分布见下图，产生的最大轴力为251.923kN，此轴力在截面上产生的应力仅为3.5MPa，可见温度变化对于钢结构系统的影响很小。
　　(4)钢结构系统的下部裙房两部分之间在风荷载和地震作用下产生的最大相对位移差分别为2.331mm和2.097mm，在这两种相对变形作用下钢结构中产生的轴力见下图，两种情况下产生的最大轴力分别为9.87kN和8.93kN，此轴力在截面上产生的应力分别为0.144Mpa和0.131MPa，可见由于下部相对变形较小并且上部钢结构系统的相对刚度较小，下部结构相对变形在上部钢结构中产生的应力基本上可以忽略不计。

　　风荷载作用下底部位移差产生的轴力地震作用下底部位移差产生的轴力
　　三、钢结构整体稳定性的分析
　　稳定性是钢结构设计中的一个突出问题，在各种类型的钢结构设计中，都会遇到稳定问题。该问题也是钢结构设计中急待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，甚至会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故大多由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此，在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念，才能更好地处理钢结构稳定问题。
　　由于钢结构支架柱的长度不一致，计算长度也不一样，直接从地面升起的钢结构支柱若要按照《高层民用刚结构技术规程》JGJ-99-98中框架柱长细比要求进行设计的话，构件断面需要边长为1300mm的钢管柱，但承载力富余非常大。而从裙房混凝土结构屋面升起的钢结构柱，构件断面仅需要边长为600mm的钢管柱。为了建筑美观、同时也为了节省造价，避免不必要的浪费，统一将所有钢结构支架柱取为断面为600mm的钢管柱。钢架构支架的整体稳定以及钢结构支架柱的杆件稳定都通过整体屈曲分析验算进行保证。
　　采用Sap2000进行整体验算时，为了真实反映结构的屈曲特性，将钢结构杆件进行细分，所有细分后的单元长度都不超过1米。
　　为了验证钢结构系统的整体稳定性，进行了了几种荷载组合工况下的特征屈曲分析。这几种荷载组合工况下发生第一阶屈曲时的荷载系数如下表所示：

　　上表中荷载系数的意义是：在该种荷载工况作用下，发生屈曲时所需施加的荷载是已经施加的荷载的倍数。通常荷载系数大于10就可以认为结构整体稳定没有问题，不需要作进一步的分析，同时也可以不考虑P-Delter效应的影响。从上表中可以看出，在几种荷载组合工况下的荷载系数都远大于10，因此钢结构系统的整体稳定性没有问题。
　　四、结论
　　从上面的分析结果可知：该支承玻璃长廊的钢结构支架系统，在荷载因素非荷载因素作用下的承载力、刚度、变形能力都满足要求。同时也满足正常使用状态下玻璃长廊的使用要求。另外，通过钢结构整体稳定验算，不仅保证了钢架构支架的整体稳定和支架柱的杆件稳定，同时避免了按照规范要求所导致的构件断面过大，不美观、不经济的问题。
　　参考文献
　　[1] 《钢结构钢结构设计规范》(GB50017-2003)
　　[2] 《门式刚架轻型房屋钢结构刚结构技术规程》(CECS 102:2002)
　　[3] 夏志斌,潘有昌 结构稳定理论. 高等教育出版社. 1988. 
　　[4] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南. 中国建筑工业出版社，1995.
　　[5] 《钢结构钢结构设计规范》应用讲解. 中国计划出版社. 2003. 
　　[6] 陈绍蕃主编《钢结构》(第二版) 中国建筑工业出版社. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jingjilunwen/gongyejingji/259233.html