摘要:介绍了某文化中心屋盖单层网壳的结构特点、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、前三阶阵型,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:文化中心屋盖;单层网壳;钢网格;整体稳定性
1工程概况
随着我国文化事业的发展,大跨空间结构在各类文化建筑中得到了广泛应用,逐渐成为其屋盖结构的主导形式。某文化中心主体为三层钢筋混凝土结构,屋盖采用单层网壳结构,中心区域在径向梁下方环形设置36个支点与四层混凝土结构柱相连,区域在径向梁下方设置斜向撑杆实现悬挑,随着悬挑长度增大采用变截面桁架以适应建筑造型变化,桁架支撑于斜交网格筒体形成的附属结构。
2结构设计
2.1结构布置及截面选取。中心区域单层圆形网壳跨度88m,矢高8.5m,支座设置在36根直径800的混凝土柱。单层网壳径向梁为H750×250×16×25,环向和交叉设置的系杆及支撑为D180×10,区域斜向撑杆D250×14。斜交网格结构筒体采用圆形钢管相贯连接,立柱D194×12,水平横杆D180×8,斜支撑D121×6,与屋盖连接处部分杆件为D194×12。中心屋盖与斜交网格筒体连接部分屋盖采用平面桁架。所有钢材材质为Q235B,焊接采用E43系列,铰支座的销轴材料采用40Cr,经调质处理,抗剪强度设计值不低于450MPa。
2.2设计参数。本工程采用SAP2000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:屋面做法、吊挂马道及机电设备等综合按1.0kN/m2,网壳中心顶部屋面抬高建筑造型所需二次钢构重量按1.3kN/m2,在第三圈环向杆件上施加空调风机悬挂荷载1.5kN/m。活荷载:屋面0.5kN/m2,不与雪荷载同时考虑;基本风压:0.65kN/m2,地面粗糙度B类,屋面风振系数1.85,具体按风洞试验数值输入;温度作用:-20~35℃;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;支座条件:屋盖支座按铰接考虑;考虑到钢结构支撑于混凝土柱顶端,柱的摇摆会放大水平地震作用,计算时将混凝土柱和钢结构一起建模共同分析,混凝土柱底支座取最高一层楼板面;在与支承混凝土柱相连的混凝土环梁中施加预应力,予以抵消了混凝土梁的拉力以及柱顶位移。
2.3分析结果。分析表明,结构第1阶振型为X方向的水平阵型,第2振型为斜交网格筒上部屋盖桁架平面外振动,第3振型振型为X方向水平振动和斜交网格筒上部屋盖桁架平面外振动,周期分别为1.65,1.12,0.92s,第5阶出现竖向振型,为最大悬挑端的振动,振型质量参与系数均达到90%以上(图1)。结构整体应力比率见图2,最大应力比0.90。中心区域单层网壳在竖向恒载作用下的最大竖向挠度为60mm,活载作用下的最大竖向挠度为19mm。D+L下总挠度79mm(图3),为跨度的1/1114,满足要求。区域屋盖在竖向恒载作用下的最大竖向挠度为81mm,活载作用下的最大竖向挠度为48mm。建议钢结构加工制作时此处起拱81mm,抵消掉恒载作用下的挠度,总挠度48mm为悬挑跨度的1/472,满足要求。
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,以线性屈曲的第一阶模态(图4)作为初始缺陷形态,初始缺陷最大值按跨度的1/300取值,进行了荷载-位移全过程分析。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)作用下的前4阶安全系数均为负数,第5阶安全系数为4.43,表现为斜交网格筒上部屋盖桁架受压弦杆的受压失稳。中心区域单层网壳结构的整体稳定安全系数大于柱区域屋盖的整体稳定安全系数,考虑网壳初始曲面形状的安装偏差的影响后,其安全系数为6.22,满足《空间网格结构技术规程》中安全系数≥4.2的要求,故屋盖结构在竖向荷载作用下,结构的稳定满足要求,结构安全可靠。
3结论
1)空间网格结构屋盖应用日益普遍,本文给出了超大跨度单层网壳结构设计参数选取、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)单层网壳屋盖结构可采用整体提升或满堂脚手架施工,应进一步通过施工模拟分析手段确定合理的施工方案。3)矢跨比大的单层网壳水平推力较大,本工程通过在与支承混凝土柱相连的混凝土环梁中施加预应力,予以抵消了混凝土梁的拉力以及柱顶位移,支座设计时应充分考虑上述影响。
参考文献
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作者:郑蓉军 单位:中信和业投资有限公司