钢结构（中英文）
2021年第5期简介
编者注
钢结构自重轻、工业化程度高、施工周期短、抗震性能优良、易于进行创意设计等特点。随着我国经济实力的提高和经济发展，钢材产量的增加促进了我国钢结构的快速发展。近年来，奥运会、世博会、大运会等各类大型活动的举办，对交通枢纽、会展中心、文化场馆、大型桥梁等的需求日益增加，促进了我国钢结构的研究和工程实践，涌现出了许多结构新颖、富有创意、实用性强的钢结构、车站、高层建筑、桥梁等。
为展现近年来我国钢结构建筑创新创意设计成果，本期报道钢结构设计专题论文，主要包括：南通国际会议中心钢结构设计；京张高铁清河站主站房钢结构设计；浙江佛学院二期工程须弥山（弥勒坛）结构设计；珠海新航展览馆钢结构选型与设计；北京信息科技大学图书馆矩形筒壳结构稳定全过程创新设计；温州文化艺术大厦钢结构设计；独柱塔宽钢箱梁斜拉桥主梁设计研究。希望本期钢结构设计专题的发表能为今后类似的工程设计与研究提供借鉴。
南通国际会议中心钢结构设计
卜龙贵1朱忠义1邢觉辉1唐一翘1秦凯1李兆东2王学敏3
1.北京市建筑设计研究院有限公司
2.钢铁研究总院工程钢研究所
3.北京科技大学
摘要：南通国际会展中心（会议中心）位于南通市崇川区紫琅湖东北岸，总建筑面积约8万m2。建筑平面沿多功能厅和宴会会议厅长向布置，中间设入口与大厅相连。建筑平面总长度280m，宽度84m，功能区结构屋盖最大高度23m。地下一层兼具车库及人防功能，采用混凝土结构；地上1至3层高度不同，从下至上分别为9、6、4.5m，兼具会议及展览功能。主体采用钢框架结构体系，大跨度空间屋盖采用钢桁架结构，最大跨度54m； 顶部造型屋面为自由曲面，最大高度30m，为横管桁架结构。
结合建筑功能，会议中心主体结构采用钢框架+大跨度钢桁架结构体系，异型屋面采用空间网架结构，整体结构兼具多层结构和空间结构受力特点铁路桥梁钢结构设计规范 下载，由于结构超长，且因功能划分而形成明显的两个结构单元，仅通过入口大厅屋面及局部屋面连接，存在薄弱节点、扭转效应明显、周边支撑柱设计等结构设计问题及设计难点。为解决以上难点，从概念设计、计算分析、构造措施等多个方面进行分析研究。通过设置屈曲约束支撑，解决了整体结构抗扭不足的问题，同时避免了普通支撑吸收过多的地震力而增加支撑架负担。针对屋面超长平面及薄弱节点的不利情况，采用单体、节点体进行承载力围护结构设计，并对薄弱节点位置进行局部加强。 为实现外层超薄柱的建筑效果，根据抗震概念设计优化了外层柱约束条件及相应的屋面布置，将柱设计为不参与水平抗侧体系的摆动柱，柱的顶部和底部释放弯曲约束，只提供竖向支撑，不参与整体抗侧，此时支撑柱不属于框架柱，可大大减少长细比施工措施。从节点传力机理、加工制造难度等方面分析了桁架弦杆中由箱型到工字型的转换节点，最终采用构造简单、传力可靠的新型节点形式，降低了加工制造和现场施工难度。结合建筑功能特点，局部采用最新高强度耐火耐腐蚀钢材，起到了良好的示范作用。
关键词：连接结构；屈曲约束支撑；超薄柱；高强度耐火耐蚀钢
资料来源：卜龙贵、朱忠义、邢觉辉、唐一桥、秦凯、李兆东、王学敏。 南通国际会议中心钢结构设计[J]. 钢结构（中英文），2021, 36(5): 1-6.
DOI:10.13206/j.gjgS20071401
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京张高铁清河站主站房钢结构设计
付惠民1 马斌2 卜龙贵3 王勇1 左庆2 王多民2 郭振勇1 吴文平4 李建华4
1.中铁工程设计咨询集团有限公司
2.北京萨蒂尼工程顾问有限公司
3.北京市建筑设计研究院有限公司
4.江苏沪宁钢铁机械有限公司
摘要：清河站造型新颖，西立面为斜立面，西侧为高屋面，东侧为低屋面。为实现京张精品站房“展现结构自然之美”的设计理念，主站房根据建筑立面及室内装饰效果的要求，采用楼桥一体化结构体系。地上结构采用钢结构，设计“A柱+Y柱+直柱支撑悬链钢桁架屋面”的结构体系。其中，A型柱西侧腿倾角与建筑向上倾角相吻合，巧妙地将结构构件融入建筑立面，为结构体系提供有效的抗侧力和竖向支撑；Y柱为候车大厅争取更加宽敞舒适的使用空间，丰富了室内视觉效果，同时减小了屋面两跨主桁架的结构跨度，为屋面结构提供竖向支撑； 直柱实现建筑东侧立面效果，同时为屋面结构体系提供竖向支撑；悬链主桁梁避免了二次结构找形带来的造价增加及施工难度。该结构体系将建筑与桥梁融为一体，体系独特。轨道承载层以下结构为混凝土，轨道承载层以上结构为钢结构，两种结构材料阻尼比不同，且存在上下部侧向刚度突变；主站房入口大厅上方有大面积敞开，候车层不连续；商业夹层为转换结构，竖向构件不连续；钢结构屋面最大跨度84m，屋面最大悬挑18m，建筑最大高度43m。本工程为复杂组合结构，因此进行了结构体系方案比选。 采用基于抗震性能化设计后，采用ABAQUS模型对结构进行动力弹塑性分析，采用ANSYS模型进行车致振动舒适度分析，同时对关键节点进行了有限元分析，为结构的安全性和经济性提供了可靠的理论支持。
关键词：清河站；桥建一体化；结构体系；钢结构；动力特性分析；舒适度分析；钢柱底座；节点有限元分析
资料来源：付惠民、马斌、卜龙贵、王勇、左庆、王多民、郭振勇、吴文平、李建华。 京张高铁清河站主建筑钢结构设计[J]. 钢结构（中英文），2021，36（5）：7-15。
DOI:10.13206/j.gjgS20072302
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浙江佛学院二期工程（弥勒坛）须弥山结构设计
刘燕生 马志刚 李庆祥 崔光海
清华大学建筑设计研究院有限公司
摘要：浙江佛学院二期是一座用现代建筑语言修建的大型宗教建筑，其中须弥山和兜率天宫是本工程的核心部分。须弥山为混凝土剪力墙结构，圆柱体，高56.85m。须弥山顶部设大平台，由24根平面悬挑桁架组成，桁架最大悬挑尺寸为22.5m，悬挑桁架根部支撑在24根沿环向布置的钢筋混凝土柱上。兜率天宫为钢框架结构，高33m，其最外侧钢柱通过混凝土圈梁竖向转换，中间钢柱通过混凝土牛腿与须弥山混凝土圆柱体相连，最内侧钢柱落在大跨度钢梁上。本工程下部须弥山采用混凝土剪力墙结构，上部兜率天宫采用钢框架结构。 上、下部刚度差异较大，具有悬挑、转换、楼面开口等特点，是一种复杂的混合结构形式。
本工程分析的地震加速度取7度(0.1g)，阻尼比计算混凝土取0.05，钢结构取0.03，场地特征周期取0.20s，水平地震影响系数最大值取0.08，竖向地震选取水平地震影响系数0.65，混凝土剪力墙抗震水准为三级，钢结构抗震水准为三级。
对须弥山及兜率宫进行了整体模型及仅考虑须弥山的子模型计算。分析结果表明：子模型计算结果与整体模型计算结果相差较大，且子模型计算难以考虑钢结构与混凝土结构的相互影响。为保证设计的安全可靠性铁路桥梁钢结构设计规范 下载，应采用整体模型与子模型同时计算，并按包络力进行设计。
须弥山平台由24个平面悬挑钢桁架组成，计算结果表明，悬挑钢桁架刚度大，舒适度高，悬挑钢桁架一阶面外弹性屈曲荷载系数可达19.1。另外，根据幕墙安装要求，增加了3根刚性拉杆，悬挑钢桁架整体稳定性满足要求。为保证罕遇地震下受力安全可靠，悬挑钢桁架采用根部增设混凝土环梁进行加固。
进行了多震时程分析及设计烈度地震和罕遇地震分析。结果表明：结构抗震性能满足设计烈度地震弹性要求，罕遇地震下层间位移角满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的要求。罕遇地震下，仅部分构件屈服，部分屈服构件截面增大。对转换点兜率宫混凝土梁采用增大截面、增设配筋等加固措施。
关键词：结构设计；钢结构；悬臂桁架
来源：刘彦生,马志刚,李庆祥,崔光海.浙江佛学院二期工程须弥山结构设计(弥勒坛)[J].钢结构(中英文),2021,36(5):16-23。
DOI:10.13206/j.gjgS20061001
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珠海新航展览馆钢结构选型及设计
陈金宇1 欧彤1,2 黄思林3
1.广东省建筑设计研究院有限公司
2.广东省建筑金属围护系统工程技术研究中心
3.珠海市华金开发建设有限公司
摘要：作为珠海航展的主展馆，航展馆屋盖造型新颖，柱子规整，屋盖结构裸露。选用建筑美观、受力合理的结构形式，即空间四面体网格+入口巨型桁架组合体系。根据机库门的不同开启方式，设计4种不同工况进行风洞试验及后期设计，确保复杂风环境下结构安全。根据结构特点，对屋盖结构形式、接缝方式、网格高度、球节点方式进行技术经济比选。
根据建筑功能，在机库门上方首次设置三层立体桁架体系，上部两层为网格连接，下部弦层作为贵宾休息室的建筑层。利用机库门两侧垂直交通空间设置立体桁架柱，与机库门上方桁架梁共同构成整体结构刚度，飞机不需大修，从受力角度对屋面设置2条结构缝，对屋面力传递路径进行分析，入口桁架承担屋面总荷载的85%，由于结构缝的关系，应尽可能将网格力传递到机库门上。 采用人工干扰力流理念，将机库门附近网架水平弦部分撤离，利用刚度效应使屋面力流优先传递到巨型桁架结构，满足力流控制的需要。在满足舒适度要求的前提下，对尚仁贵宾休息室在不同行走路径下进行了舒适度分析；在严格的现场不停工施工条件下，采用“超大构件液压同步顶升技术”，对结构进行了两次整体顶升；在满足安全性、经济性和美观性的前提下，选取合理的结构方案，并进行了连接节点设计。该项目用钢量适中，同时顺利满足了工期、造价等方面的预期目标，取得了显著的社会效益和经济效益。
关键词：航展筒；机库钢结构；风洞试验；舒适度分析；两次整体顶升；超大部件液压同步顶升技术
来源：陈金宇,曲彤,黄斯林.珠海新航展厅钢结构选型与设计[J].钢结构(中英文),2021,36(5):24-32。
DOI:10.13206/j.gjgS20061201
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北京信息科技大学图书馆中庭喇叭状网壳结构造型与设计
李占伟 杨勇 姜杨 李廷 耿海霞
北京市建筑设计研究院有限公司
摘要：北京信息科技大学图书馆中庭幕墙高25m，两端厚中间薄，形似喇叭，结构形式为单层钢结构网壳，构件为矩形钢管。本文主要探讨矩形管单层钢结构网壳的稳定性设计相关问题。
单层网壳结构非常薄，其稳定性设计需要重点关注。以钢结构网壳稳定性问题为出发点，以全过程设计为主线，重点研究了影响结构稳定性的几个主要方面，如方案比选、精确建模、二阶直接分析法的应用、边界条件等。1）通过改变周向约束构件个数，将中庭钢结构分为3种网壳模型进行比较，从中选取最优结构模型。2）矩形管网壳结构建模要求构件的两个主轴线中有一个垂直于网壳面，常规的解决方法是参数化建模，操作不方便。从实用的角度，给出了一种利用MIDAS结合RHINO软件对矩形管结构进行精确建模的简化方法。3）应用二阶直接分析法进行结构设计，要求模型中包含结构整体缺陷P-Δ0和构件缺陷P-δ0。 对于整体缺陷P-Δ0的模拟可以通过按一阶屈曲模态调整结构形态来完成，这用一般的有限元软件很容易做到，而构件缺陷可以用半正弦波来模拟。矩形管构件的缺陷需要指定方向，目前一般软件不能自动考虑构件缺陷形态和方向，这是应用二阶直接分析法的难点之一。针对这一问题，可以利用EXCEL对MIDAS数据文件进行处理。4）单层网壳结构一般对边界条件的自由度要求较高，介绍一种已获得国家专利授权的新型网壳结构支撑，该支撑达到了约束水平位移、灵活释放竖向位移的效果。
通过分析发现：1）由于环形箍的存在，三角形网格方案具有最好的完整性；2）矩形管精确建模方法简单实用，易于设计人员操作；3）构件缺陷P-δ0建模方法解决了当前软件无法自动实现构件缺陷建模的难点；4）新型专利支撑很好地满足了模型边界条件对于自由度的释放与约束的要求。
关键词：稳定性；网壳；二阶直接分析；构件缺陷；支撑
来源：李占伟,杨勇,姜洋,李婷,耿海霞.北京信息科技大学图书馆中庭喇叭状网壳结构造型与设计[J].钢结构(中英文),2021,36(5):33-39。
DOI:10.13206/j.gjgS20071201
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温州文化艺术大厦钢结构设计
沈家兴
上海宝钢建筑工程设计有限公司
摘要：温州文化艺术大厦为高层建筑，建筑高度约48m，总建筑面积20543m2，上部结构采用钢结构体系。其主要用途为新华书店及温州市越剧院演出排练场所，下设排练厅及剧场，建筑内部空间布局较为复杂。小剧场位于三层建筑平面中央，剧场上方为22.8m大跨度空间。另外，由于疏散需要，建筑内楼梯多达11层，楼层开口较多。结构具有不规则扭转、楼板不连续的特点。在满足建筑使用功能的前提下，通过合理布置柱间支撑，提高结构的抗震性能，并可控制扭转效应。 但考虑到本建筑多处楼层存在大洞口，各楼层质量分布不均匀，且因建筑功能的需要存在局部柱间支撑错开的情况，结构分析中考虑双向水平地震作用下的扭转效应。本工程四层洞口宽度达到楼层总宽度的60%左右，三层存在大面积错开楼面，为不连续楼面结构，对结构平面整体刚度不利。为缓解楼层洞口率过高带来的不利影响，将五层加厚至150mm，适当增加楼面配筋率，并沿楼层大洞口边缘设置封闭式水平支撑，增加楼面平面刚度。洞口边缘钢梁截面也进行了加强，并在洞口转角处增设斜置钢筋。 三层剧场沿观众席斜坡设置斜钢梁，在舞台乐池局部标高变化较大的区域利用钢梁本身截面高度，在上下翼缘设置楼板，柱两侧主梁高差较大的节点设置轴套，采用大截面焊接H型钢，在剧场上方跨度22.8m，形成大空间。通过以上措施，获得了较好的结构性能，并达到了较好的建筑效果。
关键词：高层钢结构；复杂空间；柱支撑；楼面开洞；大跨度
来源：沈家兴.温州文化艺术大厦钢结构设计[J].钢结构(中英文),2021,36(5):40-46。
DOI:10.13206/j.gjgS20180626
独柱塔宽钢箱梁斜拉桥主梁设计研究
周吉1,2 王新国1,2 李成3 程贤义4
1.中铁第四勘察设计院集团有限公司
2.中铁建桥梁设计研究院
3.中建武汉杨泗港路桥建设运营有限公司
4.武汉江腾铁路工程有限公司
摘要：随着对铁路安全的要求越来越严格，跨铁路市政工程桥梁跨度逐渐增大。为解决跨越高速铁路及大型铁路编组场的施工难点，以某大跨度独柱中心索转体斜拉桥为研究对象，对其主梁设计进行详细研究。跨铁路通道一般为稀缺通道资源，交通功能要求多，桥面往往较宽，若采用混凝土节段，侧向应力难以有效控制，施工质量难以保证。钢-混凝土组合梁工艺复杂，需向铁路局请示，施工工期较长。考虑到施工方便、跨越铁路时对铁路影响最小，同时尽量减轻转体自重，建议采用钢箱梁作为跨铁路桥梁主梁结构。 根据斜拉桥布置形式及整体、分体钢箱梁型式，对比了3种钢主梁横向布置形式。由于采用独柱式桥塔，塔高较低，布置在钢箱梁两侧的斜拉桥会倾斜进入行车道净空，同时分体钢箱梁中央护栏区域仍存在车辆或异物落入桥下铁路的风险，建议采用中央索面整体钢箱梁结构。在确定斜拉桥主梁结构为整体钢箱梁的基础上，对钢箱梁高度进一步优化。以斜拉桥结构受力状态及用钢量为优化目标，初步选定3种钢箱梁高度方案，其截面高度分别为3.0、3.3、3.5 m。 综合考虑结构受力状态和工程经济性,3.3m梁高方案是主梁及桥塔受力及节省工程材料的最佳配置。
为研究宽钢箱梁的力学性能，基于某独柱塔宽钢箱梁斜拉桥工程开展了宽钢箱梁设计研究。基于极限状态法和规范，对钢箱梁进行了静载计算和疲劳计算分析。静载分析包括加载方式、钢箱梁桥面刚度条件等指标的确定。基于ANSYS对标准钢箱梁和重载区钢箱梁进行了空间局部应力分析；通过选取合理的疲劳荷载模型、综合考虑疲劳荷载的不同加载位置进行了疲劳验证；静载计算与疲劳验证结果表明：该桥钢箱梁静载变形与应力满足规范要求，各构件及连接处的疲劳应力幅均小于规范限值，且有适当的安全裕度，疲劳性能良好。 采用杆系与板壳混合有限元法建立混合有限元模型，对控制区独柱塔大跨度钢箱梁斜拉桥主梁跨中截面、塔梁交叉区域、边跨副墩区域的剪力滞效应进行分析，细化参数指标，对设计起到重要的指导作用，使独柱塔大跨度钢箱斜拉桥主梁具有良好的经济性和美观性，可为大跨度、大跨度桥面结构提供借鉴和参考。
关键词：独柱塔；宽度；斜拉桥；剪力滞；钢箱梁
来源：周济,王新国,李成,程先益.独柱塔宽钢箱梁斜拉桥主梁设计研究[J].钢结构(中英文),2021,36(5):47-54。
DOI:10.13206/j.gjgS20062801
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钢结构热点分析
本期问题：钢结构设计是否需要提供防火计算？
问题介绍：
在过去的钢结构设计中，设计师只需要遵循规范中指定的建筑物阻力等级和组件抗性限制，并指示钢结构的防火涂层的选择，而钢结构的火灾保护设计被认为是完成的，但是，GB 51249-2017的实施是指钢制的更简单的钢制保护范围（以下方面的钢制保护范围） ，只添加了越来越多的绘画评论公司将其视为违反强制性条款的说明。
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