摘要：本文介绍了柳州会展中心钢结构设计过程中的难点，包括结构分析、异型柱截面代换计算、柱计算长度的取值、复杂节点设计以及狭长楼板振动分析等。通过等效刚度代换，解决了异型柱截面在软件里无法直接输入的问题;通过MIDAS及SAP2000软件对结构进行整体屈曲分析，较好的解决了异型柱计算长度取值难计算的问题;根据工程结构特点，提出了较好的节点处理形式;通过对狭长楼板的振动分析，保证了楼板的舒适性。
关键词：异型柱, 计算长度, 屈曲分析, 振动分析
1 工程概况
柳州会展中心位于柳州市柳东新区，西边临柳江，与三江门风景区隔河相望;北邻城市快速路柳东大道，滨江城市休闲带;东面与大片的城市风景林带相接，是联系柳州老城区与柳东新区的重要空间结点。
该项目地下一层，地下面积4628.69m2，地上一层(局部二层、三层)，地上面积31038.24m2，建筑高度30.15m，会展中心钢结构柱顶高跨跨度64.5m，总用钢量约9900t。建筑的三维效果图如图1，图2所示。
2 结构体系及结构分析
该工程平面尺寸为78mx316m，纵向超长，因此将结构纵向划分为A、B两个区段。根据平面尺寸特点，横向采用钢框架，纵向采用钢框架+支撑的结构体系，结构的横向框架剖面如图3所示。该结构屋面跨度为64.5m，柱距21m，屋面采用管桁架结构体系;由于柱距较大，为了配合屋面的轻钢结构，在二层楼面处设置纵向人字支撑，用以支撑两榀横向框架之间的管桁架，从而减小檩条的跨度，同时提高结构的纵向抗侧刚度。
由于该工程为复杂空间结构，选用具有强大计算分析能力的三维计算软件MIDAS7.8版进行结构建模分析。由于建筑轴线为弧形，且造型复杂，故采用三维CAD进行辅助建模，
在CAD里完成三维线条建模后，再导入MIDAS软件，在此基础上进行整体建模，整体模型如图4、图5所示。通过MIDAS的整体计算分析，在地震与风荷载的作用下，A区结构的第一周期为1.06s(平动)，第二周期0.57s(扭转)，第三周期0.42s(平动)，周期比0.57/1.06=0.54小于0.9，满足要求;地震作用下最大侧向位移1/4195，风荷载作用下最大侧向位移1/7976，满足设计要求。
3异型柱的截面等刚度代换
本工程采用的柱截面形式有多种，包括箱型的，“日”字型的，以及 “双目”字型截面等，对于“双目”字型截面，软件无法直接输入，为计算简便，采取等刚度代换(包括抗弯刚度与轴压刚度)的原则把异形柱截面代换为常规的箱型截面。
4异型柱的计算长度的确定
由于建筑外形的需要，柱子采用异型纯钢柱(折型柱，详见图3)，不同于常规的直柱，所以对于本工程，柱子的计算长度如何确定是关键。根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)，计算长度的计算方法有两种：一种是以多项假定为基础，分别对框架结构有侧移、无侧移情况建立临界状态的平衡方程，求解框架柱的计算长度系数;另一种是对框架结构施加假想水平力的近似二阶分析方法。而本工程结构体型复杂，属非常规结构，规范提供的两种计算方法并不适用，故本工程采用整体屈曲分析进行求解，具体过程为：
(1)对给定的荷载组合采用线性分析方法对结构进行分析，得到所有柱子的轴力;
(2)以这一荷载工况的组合轴力pj作为标准，乘以屈曲因子;
(3)形成有限元分析的刚度矩阵，进行特征值分析，得到临界荷载因子;
(4)求得临界荷载，利用欧拉公式临界力Ncr=π2EI/l2，反算杆件的计算长度。
采用MIDAS软件对结构进行特征值屈分析，考虑的工况为1.35恒载+0.98活载。如图6所示，结构在第120 模态时柱子发
生明显的屈曲，此时对应柱子的临界轴力为Pcr=24540kN，由欧拉公式反算出异形柱计算长度l=41.6m。为保证计算结果的准确性，采用同样的方法，用SAP2000软件进行复核计算，计算结果为异形柱计算长度l=38.5m，实际设计时，取MIDAS计算结果，即柱计算长度取41.6m。
5 节点设计
本工程为空间复杂结构，节点形式较为特殊，本文着重介绍以下几处节点：
(一)直柱与斜柱连接节点：直柱与斜柱相交形成“单K”或“双K”节点，节点形式按方管与方管相贯处理，相贯处增加横向隔板;
(二)纵向柱间斜撑与管桁架连接节点：按类似球形支座节点进行设计，如图7所示;
(三)屋面管桁架节点：该节点为圆管与圆管相贯节点，按钢结构规范要求进行计算及构造要求;
(四)斜柱柱顶与管桁架连接节点：屋面管桁架与框架斜柱连接按相贯节点处理，柱子与圆管相贯部位增加构造加劲肋，如图8所示。
6狭长楼板振动分析
该结构有部分楼板区间为3mx21m，属于狭长楼板，考虑到人在行走时楼板容易产生振动，从而影响人的舒适度，因此有必要进行楼板振动分析。文献[1]提供了楼板振动分析的计算方法，主要包括竖向自振频率fn的控制(满足fn≥3Hz)和峰值加速度的控制(满足ap/g=p0e-0.35fn/βω)≤a0/g)，本文计算结果为fn=7.8Hz>3Hz，ap/g=0.288%<0.5%，满足设计要求。
7结语
随着建筑技术的发展，钢结构在多高层建筑尤其是复杂空间建筑领域得到了广泛应用，本文结合柳州会展中心的钢结构设计，对复杂结构中出现的柱计算长度取值问题、柱等效刚度代换问题、复杂空间节点问题以及非常规楼板振动问题等提出了较好的处理方法，对类似工程有借鉴作用。
参考文献
[1]徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M]北京：中国建筑工业出版社
[2]张建军，刘琼祥，郭满良等. 深圳大运中心体育场空间钢结构杆件计算长度研究[J]建筑结构学报2011,32(5)：39~47;
[3]童根树. 钢结构设计方法[M]北京：中国建筑工业出版社2007;
[4]王勖成. 有限单元法[M]北京：清华出版社2003;
