浅析某大型城市综合体椭圆采光顶钢结构加固处理
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摘要：结合某大型城市综合体椭圆采光顶工程实例，阐述了该椭圆采光顶为何需要结构加固处理，以及如何进行结构加固处理。
关键词：城市综合体；椭圆采光顶；结构加固
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
1.前言
采光顶是由透光面板和支承结构组成的结构系统。它与垂直面的夹角大于15º，许多工程采光顶接近水平位置或处与水平面。
许多采光顶由于建筑功能的要求，一般都采用玻璃穹顶。玻璃穹顶由中央部分向四周倾斜度不断加大，到周边与垂直面夹角小于15º，已属于玻璃幕墙的范畴，在同一曲面中难以区分采光顶与幕墙。因此，玻璃采光顶的设计和施工，有时尚要参照我国现行标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003和《建筑玻璃应用技术规程》JGJ3113-2009的相应规定。目前，行业标准《采光顶与金属屋面工程技术规范》JGJ255-2012，自2012年10月1日起实施。
近年来，我国内地采光顶迅速发展，形式多样，技术水平不断提高。国内某商业地产商所建的城市综合体的中庭或顶层一般都采用采光顶。
2.采光顶设计选型
某大型城市综合体根据建筑功能、建筑艺术和商业地产商自身特色的要求，选择采光顶的外形。该工程采光顶外形共选4种类型，圆柱面（矩形采光顶）、圆椎面（长廊采光顶）、半圆球（圆形采光顶）、半椭球（椭圆采光顶）。
采光顶的支承钢结构可分为刚性结构（杆系）、柔性结构（杆索系统或索网）和混合支承结构。形成平面支承结构可以采用梁和梁系、桁架、网架和索杆、索网体系；形成曲面支承结构可以采用梁、拱、桁架、单层或多层网壳、索杆和索网体系。
该工程所有采光顶支承结构都采用单层网壳结构，而椭圆采光顶的采用单层网壳结构是较为大胆设计；因为该结构受力分析是较难的，该结构也比较容易失稳。
椭球壳钢结构三维实体
椭圆形采光顶 平面形状为椭圆形，长轴直径39.2米，短轴直径28.2米，矢高7.706米，为单层椭球壳结构，球壳下部有1.2米高垂直段，整体高度8.2米，坐落于混凝土边梁上，支座面标高为17.15米，采光顶骨架采用方管焊接，方管截面规格200X100X6，250X150X8和80X 80X4，连接节点为相关焊接，用钢量29.43吨，筒壳采光顶外侧为TP10(Low-E)+12A+TP8+1.52PVB+TP8mm厚中空夹胶玻璃，垂直面外侧为TP8+12A+TP8中空LOW-E钢化玻璃。
3.椭圆采光顶原结构分析
椭圆采光顶钢结构施工完成后，将球顶支撑杆件拆除，完成卸载，椭圆钢结构自身独立受力。由于业主方要求对钢结构焊缝检验要求，在椭圆长轴端制作了钢爬梯一座，施工人员上下偶然情况发现，在人力循环加载情况下，爬梯附近径向钢梁晃动幅度较大。
3.1经查阅相关设计规范和技术资料，发现目前椭圆钢结构设计与现行规范要求部分不符。如下：
3.11根据JGJ7-2010 （空间网格结构技术规程）1.0.4条，单层网壳结构不应设置悬挂吊车，条文解释注明“单层网壳承受集中力对其内力和稳定性不利，故不宜设置”。而现椭圆采光顶设计有4点 500KG ，6点100kg 悬挂点，且悬挂点未特别加固。
3.12在结构选型上 JGJ7-2010 3.1.4条 规定，单层椭圆抛物面网壳可采用三向网格、单向斜杆正交正方网格、椭圆底面网格等形式。而现椭圆采光顶采用的结构形式是“肋环形”，适用于圆形采光顶，不适合于单层椭圆采光顶。
3.13在结构计算上 JGJ7-2010 4.3.3条 规定 球面网壳可采用满跨均布载进行，椭圆网壳尚应考虑进行半跨活载分布情况。 而现椭圆采光顶经验算（用软件3D3S），半跨荷载分布作用情况下，变形形态完全不同，同样的荷载条件，满跨均布载作用下，最大位移为10.4mm，应力比为0.7，但在半跨荷载作用下，最大位移达210mm。应力比达3.12，结构已失效。
3.2综合目前计算结果（用软件3D3S）和现场情况观察，可基本得出结论如下：
3.21椭圆采光顶结构选型和计算未考虑椭圆型的特殊性，是按照圆形采光顶规则套用。
3.22在半载荷载的极端荷载情况下，结构失效，此荷载情况有可能在玻璃安装过程中发生，设计未预考虑。
3.23本结构刚度较弱，计算结构自振周期前三主周期均在1.0S左右，故发生在现场人力循环荷载作用下，结构发生加大幅度变形，可基本确定是由于外力加载频率和结构自振周期接近，发生的结构共振现象，
3.24按JGJ7-2010 4.1.3条规定，结构自振周期大于0.25S需考虑风振影响，目前结构的自振周期很有可能在循环风载作用下发生结构共振。
鉴于以上情况，建议建设方要求设计单位进行结构复核计算，并邀请业内著名专家对该结构进行论证；证明现有结构是否满足使用要求，或是否需要进行结构加固。
4.椭圆采光顶原结构专家会审意见
建设方为了确保该结构使用安全，邀请业内著名专家召开椭圆采光顶钢结构专题研讨会。专家组认为该结构体系基本可行，根据现场考察情况，结构振幅较大，建议进行如下改进：
4.1设计单位全面检查计算模型、计算参数和计算结果；
4.2部分径环向杆件不能形成刚接节点，建议加肋；
4.3建议在结构适当部位增加斜杆；
4.4建议在落地柱柱头加腋；
4.5建议减轻屋面吊挂荷载；
4.6玻璃连接构造须适应结构的较大变形需要；
4.7全面检查钢结构的焊接质量；
4.8建议做超载试验，检查结构的安全度。
5.椭圆采光顶原结构加固处理
设计单位为了确保该结构使用安全，根据椭圆采光顶钢结构专题研讨会的专家组意见，对该椭圆采光顶钢结构进行了加固处理。加固处理后，设计单位经过多次计算复合，平均自振周期已降至0.24S，计算结果均符合设计及规范要求。椭圆采光顶钢结构加固处理如下：
5.1主龙骨适当部位增加80mmX 80mmX4mm厚钢方通，共80根；具置详见《椭圆采光顶龙骨分布图（加固后）》。
椭圆采光顶龙骨照片（加固后）
5.2在每根立柱与网壳龙骨连接部位进行加腋处理，增加10mm X6mm厚钢板，共32根；具置详见《龙骨连接部位加腋节点图》。
龙骨连接部位加腋节点照片（加固后）
6.结束语
最近十年，中国内地采光顶工程数量多、面积大、体型复杂、支承结构新颖，总体技术水平不断提高。在国内，不管是各房地产商的项目，还是一些政府投资的项目都采用采光顶。例如，最近北京的奥运工程，上海的2010年世博会工程，广州的2010年亚运会工程，都采用了不少的采光顶项目；还有许多前所未见的采光顶项目正在设计中。这将为采光顶的设计与施工提供了广阔的舞台，将进一步促进其发展；但采光顶设计必须严格遵循规范要求，重点考虑其结构安全。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》 [GB50017-2003].
[2]《空间网格结构技术规程》 [JGJ7-2010].
[3]《采光顶与金属屋面技术规程》 [JGJ252-2012].
[4]《我国采光顶发展的综述》 （赵西安）.
[5]《某大型城市综合体椭圆采光顶钢结构专题研讨会专家意见》.
[6]《某大型城市综合采光顶幕墙工程施工图》.
作者简介.：
宋海龙，男，1980年出生，毕业于广州大学，工程师。2004年进入广州珠江工程建设监理有限公司，参加的工程监理项目有广州白云国际会议中心、广州市亚运城、广州国际体育演艺中心、广州番禺万达广场等。