摘要:介绍了某景观伞塔的结构特点、设计参数取值,利用MIDAS建立了有限元模型,对结构进行静力、动力、地震响应分析,并考虑几何初始缺陷进行整体稳定分析。计算了在设计荷载作用下结构的变形、应力、前四阶阵型,给出了有缺陷结构的荷载位移曲线。结果表明:结构体系合理,截面设计优化,具有较好的整体稳定性,达到了较好的经济和技术指标。
关键词:景观伞塔;钢网格;筒壳;稳定分析
1工程概况
随着我国体育事业的发展和居民生活水平的提高,空间网格结构在各类景观雕塑等构筑物中得到了广泛应用。某景观塔高度约40m,顶部呈伞状,平面投影轮廓直径约80m,采用自由曲面单层网格筒壳结构(图1)。
2结构设计
2.1结构布置及截面选取。径向梁采用箱型变截面构件,自下向上分别为400×600×12×20、400×800×12×20、400×800×14×25、600×1150×20×35、400×800×14×25、400×600×12×20。环形梁口200×8、300×10、300×14,斜杆D180×10、D194×12,所有钢材材质为Q345B。
2.2设计参数。本工程采用Midas/Gen通用建筑结构有限元程序进行分析,其中结构设计使用年限:50年,结构设计安全等级:二级,结构重要性系数:1.0;恒荷载:考虑屋面玻璃幕墙做法做法按1.0kN/m2;活荷载:屋面0.5kN/m2,不与雪荷载(0.4kN/m2)同时考虑;基本风压:0.55kN/m2,地面粗糙度B类,具体按风洞试验数值输入;温度作用:-30~30℃;地震作用:抗震设防类别:丙类;抗震设防烈度:7度,设计基本地震加速度:0.10g,场地土类别:Ⅱ类,设计地震分组:第一组;计算长度:径向梁平面内计算长度系数1.0,平面外计算长度系数1.6,其他构件计算长度系数1.0。
2.3分析结果。分析表明,结构第1阶振型分别为X方向的水平振型,第2、3振型为悬挑端竖向振型,周期分别为3.49,1.65,1.65s,振型质量参与系数均达到90%以上。结构整体应力比率见图3,最大应力比0.80。恒载下最大挠度-0.109m,活载下最大挠度-0.020m,风载下最大挠度-0.162m,包络组合下最大挠度-0.284m(图4)。最大悬挑33.31m,根据GB50017—2003《钢结构设计规范》,恒载和可变荷载标准值组合下允许挠度33.31/125=0.266m,可变荷载下允许挠度33.31/150=0.222m,施工时应通过预起拱消除恒载下的挠度,使恒载和可变荷载标准值组合下挠度值、可变荷载下挠度值均满足规范要求。由图5~图7可知:地震参与组合的最大X向变形0.031m,Y向变形0.022m,挠度-0.170m,满足规范要求。
2.4整体稳定性计算参照《空间网格结构技术规程》,除了考虑非对称活载影响外,应考虑几何初始缺陷影响,选取第一阶屈曲模态为初始缺陷模态(图8),按照悬挑长度的1/150施加初始缺陷,进行几何非线性分析后得到结构的荷载-位移曲线(图9),提取变形较大的节点荷载-位移曲线。采用特征值法对钢结构屋盖进行屈曲分析,结构竖向荷载(D+L)作用下,安全系数超过5.0后未见明显屈服和下降段,满足《空间网格结构技术规程》安全系数≥4.2的要求,结构的稳定满足要求,结构安全可靠。
3结论
1)钢网格结构在景观雕塑等构筑物中应用日益普遍,本文给出了一种景观伞塔钢网格结构设计参数选取、静力及多遇地震分析、稳定验算等全过程,达到了较好的经济性和技术指标,可供类似项目作参考;2)本工程施工难度较大,应进一步通过施工模拟分析手段确定合理的施工方案。3)本工程需要适当的预起拱以抵消恒荷载下的挠度,钢结构加工时应予以充分考虑。
作者:郑蓉军 单位:中信和业投资有限公司