喇叭花状建筑形态近年来多次出现, 如2010年上海世博会世博轴 (图1) 采用大型张拉膜结构顶盖和轻型钢结构阳光谷^[1];新加坡滨海湾花园的18棵擎天大树 (图2) 采用树杈式张拉结构。

　　 喇叭花状建筑形态的特点在于较小的竖向支撑体系和较大的单面悬挑体系, 且曲线流畅。结构有多种方式可以实现, 例如上述两种结构形态, 但目前采用单层刚架网格形式较为少见。成都南站枢纽城市综合体的喇叭花状玻璃雨棚具有多个喇叭花以不同角度交汇相连的特点, 见图3。与单个喇叭花相比较, 两个喇叭花的悬挑端相交部分类似框架梁, 使相交的两个喇叭花之间产生框架效应, 结构的抗侧刚度显著增加;不同角度的汇交使结构两个方向抗侧刚度相差较大, 传力更为复杂;相交以后温度作用不能释放, 超长结构的温度作用更为显著。

　　 针对特殊的建筑形态要求, 本文提出了采用组合钢柱 (群柱) 及单层刚架网格结构实现该建筑形态的分析方法、节点形式及施工方法。

　　 成都南站枢纽城市综合体项目位于成都市火车南站西南侧。该工程是集商业、商务、办公、餐饮、展览、休闲及停车库等多种功能于一体的建筑综合体, 总建筑面积约27万m², 建筑实景见图3。

　　 该综合体项目由新建和扩建两部分组成, 新建部分由商业裙房 (A区) 和1^#~4^#四栋高层住宅楼 (C1~C4区) 及1栋高层办公楼 (B区) 组成, 设3层地下室, 各区在地下部分连为一体, 结构分区示意见图4, 图中阴影部分为本文分析的3^#雨棚。

　　 玻璃雨棚位于商业裙楼与办公楼之间, 作为连接商业裙楼与办公楼的纽带, 从空中俯瞰就如一朵朵盛开的鲜花绽放在建筑物之间, 是本工程的标志性景观。雨棚采用连体喇叭花状结构保证建筑纹理感, 满足了建筑造型要求, 同时保证了荷载合理、有效地传递。雨棚柱支承在主体建筑钢筋混凝土框架-剪力墙结构之上。雨棚含3个单体, 其中3^#雨棚的组成数量最多且无规律排列, 使其设计、施工最为复杂, 本文以3^#雨棚为重点提出设计思路和方法。

　　 3^#雨棚由10个大小不一的喇叭花状结构互相连接组成 (图5 (a) ) , 除一端较小的4个喇叭花是两行两列布置外, 其余喇叭花均呈梅花状交错布置, 雨棚整体长134.2m, 宽52.5m。10个喇叭花组合钢柱底标高为-5.450~26.350m, 底标高最多相差31.800m (图5 (b) ) , 各个喇叭花结构顶标高在33.000m以上的部分采用5%向其各自的中心找坡排水, 即不同直径的喇叭花悬挑端外边缘标高不同, 喇叭花之间的交汇点处各自杆件节点标高也不同。

　　 雨棚考虑自重、附加恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、水平地震作用共7种荷载作用。

　　 雨棚面层采用纳米自清洁安全玻璃幕墙, 恒荷载1.0k N/m², 活荷载0.3k N/m^2[1]。

　　 风荷载:基本风压为0.30k N/m² (50年重现期) , 地面粗糙度为C类^[2]。风荷载体型系数根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[2] (简称荷载规范) 中单坡及双坡顶盖取值, 且考虑不同风向作用, 风振系数为1.4。

　　 雪荷载:基本雪压为0.10k N/m² (50年重现期) ^[1], 积雪分布系数根据荷载规范取值。

　　 温度作用:成都市极端最低气温为-5.9℃, 极端最高气温为43.7℃。考虑施工的可行性, 施工时合拢温度取12~25℃。由于钢结构雨棚完全暴露于室外, 考虑太阳日照辐射, 温升时结构表面温度增加11℃^[2]。钢结构温升42.7℃, 温降30.9℃。

　　 地震作用:抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值为0.10g, 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅱ类, 场地地震反应特征周期T_g为0.45s, 多遇地震影响系数α_max为0.08, 3^#钢结构雨棚为标准设防 (丙类) , 抗震等级为四级, 多遇地震下雨棚阻尼比ξ为0.03, 主体结构阻尼比为0.05。

　　 喇叭花状结构多采用空间网格或张拉结构, 但本项目除了需要表现出其形状之外, 还需表现出其纹理的效果, 且多个雨棚以不同角度交汇相连在一起, 因此选用了组合钢柱 (群柱) 及单层刚架网格结构。每个喇叭花的花面由径向主梁、环向次梁构成, 通过组合钢柱支承在主体建筑的现浇钢筋混凝土结构上。径向主梁为组合钢柱各分肢沿半径方向向外弯曲形成, 径向主梁在弯曲段采用1或2次Y形分叉以减小最大半径处的环向次梁跨度, 使其每跨梁跨度均不大于3m, 以便于安装玻璃, 图6以图5 (a) 中3-1^#喇叭花作为示例予以说明。

　　 组合钢柱为群柱, 由1~14根沿柱高不均匀分布的□400×200×20×20箱形截面环梁 (Q345B) 将6~9根□400×300×16×20箱形截面柱 (Q345B) 组成整体形成群柱。组合钢柱 (群柱) 的分布半径有两类:第一类组合钢柱的箱形截面柱均匀分布在直径Ф6 600mm的圆上, 见图7 (a) (仅图5 (a) 中3-6^#喇叭花) ;第二类组合钢柱均匀分布在直径Ф1 600mm的圆上, 见图7 (b) 。典型组合钢柱剖面见图8。

　　 喇叭花面半径为6 907~19 694mm, 所有雨棚径向主梁采用变高度焊接箱形截面 (截面宽度均为300mm, Q345B) , 根据刚度需要端部截面最小 (截面为□400×300×14×14) , 喇叭口处根部截面高度最大 (截面为□650×300×16×22) 。环向次梁采用圆钢管 (截面为Ф299×10或Ф325×25, Q345B) , 便于弯曲。梁柱节点、径环向钢梁节点以及柱脚节点均为刚接节点, 部分复杂节点采用铸钢节点。

　　 采用SAP2000软件对结构进行分析。杆件采用梁单元, 节点按照实际情况均为刚接。建立的雨棚整体结构模型如图9所示。

　　 在整体模型目标杆件的两端施加一对轴向单位压力, 对该荷载工况下整体模型的弹性屈曲进行分析, 可得到目标局部杆件失稳时的临界荷载系数, 该系数乘以目标杆件的内力即为局部杆件失稳的临界荷载值, 再根据欧拉公式反算出计算长度系数。该方法考虑了相邻杆件对目标杆件的影响, 较目前常用的整体模型单位力法更为准确可靠。经计算, 箱形截面单根钢柱的计算长度系数为3.2, 径向主梁的计算长度系数为3.2, 环向次梁的计算长度系数为1.6。

　　 活载作用下3^#雨棚悬臂端最大挠跨比为1/1 569, 小于限值1/250;恒载+活载作用下悬臂端最大挠跨比为1/336, 小于限值1/200;风荷载作用下柱顶侧移比X向为1/36 257, Y向为1/1 421, 均小于限值1/500 (按框架结构考虑) , 满足相关规范要求。恒载作用下产生的挠度占到恒载+活载作用下产生挠度的85%以上。

　　 对图5 (a) 中3-1^#喇叭花的独立模型进行分析, 风荷载作用下组合钢柱的柱顶侧移比为1/171, 比连体结构的Y向侧移比大8.3倍、比X向侧移比大211.5倍, 喇叭花交汇相连后整体抗侧刚度大幅提高, 且因较多喇叭花呈单向排列使3^#雨棚整体模型的两个方向抗侧刚度相差较大。

　　 抗震分析时, 建立雨棚和主体钢筋混凝土框架结构的整体模型, 相对于下部钢筋混凝土框架-剪力墙主体结构, 雨棚很柔、很轻。分析结果表明, 地震作用对雨棚不起控制作用。

　　 在无风荷载工况下雨棚受力不利;因向上的风吸力抵抗了部分竖向恒荷载和活荷载, 向上的风吸力对雨棚有利;温度作用对雨棚竖向挠度和水平侧移均有一定影响, 由于两个喇叭花的相交部分类似框架梁, 使相交的两个喇叭花之间产生框架效应, 温升时导致雨棚中部发生向上的变形、悬挑端根部下挠, 温降时方向相反, 而单个喇叭花由于其边界均为自由端, 温度作用是可以较好释放的;温升时产生的上拱变形 (表1) 为恒荷载和活荷载标准值产生的挠度 (63.2mm) 的41% (25.9÷63.2=41%) , 温降时产生的下挠变形 (表1) 为恒荷载和活荷载标准值产生的挠度的31% (19.4÷63.2=31%) 。

　　 通过分析, 得到3^#雨棚自振周期, 见表2。结构第1阶振型为较高的竖向支撑体系变形引起喇叭花平面整体发生位移, 反映出较短的竖向支撑部分 (刚度较大) 对较长的竖向支撑部分 (刚度较小) 的约束作用。

　　 对3^#雨棚整体 (图9) 进行弹性屈曲分析, 结果 (图10) 表明, 雨棚在标准荷载组合 (1.0恒荷载+1.0均布活荷载+0.6风荷载) 作用下, 第1阶线性特征值屈曲模态为最大喇叭花面的悬挑部分失稳, 其屈曲因子为22.9。对其进行几何非线性屈曲分析, 结果表明, 雨棚在上述标准组合作用下, 结构屈曲因子为3.1。

　　 对图5 (a) 中3-1^#喇叭花的独立模型进行弹性屈曲分析和几何非线性屈曲分析, 在相同的标准荷载组合作用下, 其第1阶屈曲模态与整体模型相似, 均为喇叭花面的悬挑部分失稳, 但弹性和几何非线性屈曲分析的屈曲因子分别为9.25和1.1, 比整体模型屈曲因子降低60%和65%, 表明连体喇叭花比单个喇叭花的稳定性更好。

　　 组合钢柱 (群柱) 剖面见图8。同时结合雨棚排水设计, 通过钢板在环梁处将截面为600×20的排水管与组合钢柱 (群柱) 连为整体, 以满足景观设计要求, 见图11。在组合钢柱 (群柱) 与径向主梁连接段需实现圆滑过渡, 节点详图见图11 (d) 。

　　 为达到径向主梁和环向次梁的刚接连接, 在主次梁相交处的主梁内部加加劲钢管, 钢管外径同环向次梁, 壁厚为环向次梁壁厚加2mm。该连接方式 (图12) 在满足建筑造型要求的同时, 传力更为直接, 相当于环向钢管连续穿过径向主梁。

　　 柱脚节点采用整体或独立式外露柱脚节点, 图5 (a) 中3-1^#喇叭花的柱脚节点见图13。

　　 组合钢柱 (群柱) 穿主体建筑屋面板或楼面板时 (图5 (a) 中3-4^#喇叭花) , 通过3排栓钉和40mm厚钢板抗剪环将剪力传递至钢筋混凝土环梁, 以保证钢筋混凝土部分和钢结构部分的可靠连接, 见图14。

　　 本项目两类铸钢节点形状复杂:一是各个喇叭花状结构的5%排水段起点标高 (花蕊处, 标高33.000m) 相同而起坡段长度 (喇叭花半径) 不同, 造成各喇叭花边缘相交节点存在高差, 无法焊接;二是Y形分肢控制环向次梁长度时, Y形杆件相交角度过小, 导致分叉节点焊接困难。这两类节点形状都非常复杂, 采用焊接难以实现, 因此, 采用了326个铸钢节点 (图5 (a) 中“”) 。铸钢节点以其极佳的可塑性可较好地满足建筑和结构的需求^[3,4], 同时可降低多杆交汇时造成的残余应力, 减小钢管相贯节点的应力集中系数60%以上^[5]。铸钢节点材料采用G20Mn5QT (热处理状态:正火+回火) , 屈服强度为300MPa, 极限强度为490MPa, 正切模量取弹性模量的3%, 具有相当长的屈服阶段及良好的塑性, 其本构关系取双线性弹塑性模型。

　　 考虑节点的形状差异以及受力情况, 选取了11个典型节点, 并采用软件ANSYS12.0^[6]对其进行分析。铸钢节点由Solid45, Mass21单元建模, 其中Solid45单元用于建立钢结构节点的三维实体模型;将实体模型各单肢端面主节点定义为Mass21单元, 可以避免在实体模型施加弯矩时造成应力集中现象过于明显, 使肢端弯矩更接近于实际情况, 其他节点的自由度耦合到主节点形成端面刚化区域。

　　 建模时, 将各节点单肢端头刚化, 并将刚化区域内节点自由度耦合于端头截面形心处的主节点处, 荷载施加在主节点上。节点边界条件的定义与整体有限元模型的边界条件基本保持一致, 小位移杆件根据实际情况按固定边界条件进行约束。计算时, 考虑几何和材料双重非线性, 服从von Mises屈服准则。采用Newton-Raphson增量迭代方法, 辅助线性搜索技术, 应用预测和自适应下降等加速收敛技术, 以节点力平衡为收敛准则。未考虑残余应力和节点区焊缝的影响。

　　 典型节点在破坏荷载下的von Mises应力分布云图见图15, 可以看出, 在最不利工况组合下, 各铸钢节点仍处在弹性范围, 个别应力集中部位的应力不超过屈服应力的0.85倍, 各节点破坏荷载均大于3倍的设计荷载, 满足规范要求。

　　 喇叭花状雨棚群结构采用杆件高空散拼的施工方法进行安装。在整体安装顺序上, 采用从中间向两边安装的方式, 有利于安装应力向两边消散;对于单个雨棚按照径向主梁的分段, 由内向外依次延伸安装^[7]。

　　 喇叭花状结构的施工工艺需充分利用结构自身受力特性, 采用喇叭花状群钢结构点式胎架及无胎架施工工艺相结合的方法。在雨棚喇叭花面杆件安装中采用钢拉索固定, 可有效防止杆件在安装过程中变形, 同时在喇叭花面受力薄弱部位设置点式胎架支撑, 从而对整个雨棚结构起到稳固作用;采用轴坐标法测量技术校正雨棚结构的定位, 提高了施工精度及施工效率。

　　 在雨棚杆件的安装中, 采用拉索临时固定雨棚杆件的施工工艺:拉索一端连接在待装杆件上, 另一端连接在胎架上, 胎架安装在雨棚柱顶作为稳固结构, 承受拉索传递的拉力。拉索在临时固定雨棚杆件的作用中只承受拉力, 且拉索在空中角度宜保持在60°, 此种情况下受力更加合理。钢拉索采用直径20mm的圆钢制作, 圆钢材质为Q345B, 中间设置花篮螺栓对雨棚杆件在空间中的位置进行微调, 具体施工工艺示意见图16。

　　 施工前采用MIDAS软件根据施工工序进行施工过程模拟, 确定施工过程中结构受力的薄弱位置, 并在这些位置设置点式胎架支撑, 一方面节约胎架用量, 另一方面可以提高施工过程中整体结构的稳固性, 提高施工质量及安全。点式胎架布置见图17。

　　 (1) 采用组合钢柱 (群柱) 及单层刚架网格结构实现连体喇叭花状建筑形态, 保证了建筑纹理感, 满足了建筑造型要求, 同时实现了荷载的合理、有效传递。

　　 (2) 对悬臂长度较大、水平刚度较弱的结构体系, 悬挑部分最先失稳破坏;恒荷载下的挠度占到恒荷载和活荷载标准值产生挠度的85%以上;对于超长平面的钢结构雨棚, 温度作用下的挠度占到了恒荷载和活荷载标准值产生的挠度的30%以上, 应进行详细分析。

　　 (3) 与独立喇叭花相比, 喇叭花交汇相连后整体抗侧刚度大幅提高, 可提高8倍以上。

　　 (4) 无胎架钢拉索施工和点式胎架相结合的施工工艺并结合轴坐标法测量技术在保证施工精度的同时具有操作方便、工效高、施工精度高、安全性高的特点。