衢州市文化艺术中心和便民服务中心项目空间曲面结构设计.docx

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1、浙江省衢州市文化艺术中心和便民服务中心项目由剧院演艺中心、文化中心、行政服务中心、后勤保障用房及配套交流中心、中央大堂五大板块组成（图1）,上部建筑总平面呈米字形，长约295m,宽约223m,平面上各单体相对独立，又通过中央圆形广场有机链接，通过设置抗震缝划分为6个结构单元（图2）。本文介绍E座（中央大堂）的钢结构屋盖设计。图1总体效果A单体、行政服务中心（一）A单体行政B单播、1结构体系选择单体E座（中央大堂）采用钢筋混凝土框架结构，首层层高5.Om,二层、三层、四层层高5.4m,五层、六层、七层层高4.2m。典型平面结构布置如图3所示。首层结构外轮廓尺寸为105m110m,结构高宽比为0.

2、5。塔楼标准层平面尺寸为16m80m,最大高宽比为3.0,两者的高宽比均在规范允许的范围内。屋盖采用大跨度空间钢网壳结构，结构整体模型如图4所示。嵌固端位于地下室一层底板。图3单体E座钢屋盖三维结构示意本工程梁、板混凝土强度等级为C35,墙柱为C50C35,局部竖向构件采用钢筋混凝土与型钢组合杆件以满足关键部位承载力要求。钢屋盖主要采用Q345B钢材，根据承载力及结构变形要求设计构件尺寸。在整个地块的南向主入口设置下沉广场，主入口两侧有大量开敞及通高空间，对建筑空间效果要求较高，只允许设置少量柱子；且为减少遮挡视线结构杆件，中央大厅顶盖采用结构幕墙一体化设计，结构杆件既作为支撑体系，又需与幕墙

3、单元划分相匹配，为结构设计增加了难度。经多方案对比，确定中央大厅顶盖采用空间钢网壳结构体系，屋盖高度48m,最大跨度79m,网格划分为3.5m左右的结构单元。钢屋盖主要截面尺寸见表1。屋盖框架柱采用钢管截面，其余主要杆件采用箱型截面。表1单体E座钢结构屋盖构件主要截面三箱形截面圆形截面10005503030800800282855045016163503501212015005001200350100030由于屋盖跨度远超JGJ1-2010空间网格结构技术规程2规定的单层网壳的计算跨度，且计算挠度难以满足规范要求，故在跨度较大的屋顶设置纵横正交的钢结构桁架，X方向桁架结构跨度为76m,桁架高度

4、4.3m;y方向桁架结构跨度为51m,桁架高度4.3m0在屋盖下坡底部设1m高钢梁用于控制整体变形。经后续计算分析，屋盖体系变形和应力均满足规范要求和建筑幕墙结构一体化的需求（表1）。钢屋盖体系建模主要过程为：方案造型确立一模型提取一网格划分一幕墙结构一体化造型。2钢屋盖受力分析E座钢屋盖的计算采用YJK整体计算与3D3S单独计算进行包络设计，结构模型如图5所示。(e)图5钢屋盖结构模型建立过程(a)步骤1；(b)步骤2；(C)步骤3；(d)步骤4；(e)步骤52.1 荷载情况屋盖荷载情况见表2。表2荷载工况17兄荷载类型荷载说明1永久荷载自量及屋面板与设备荷载为1.2kNm22可变荷载屋面检

5、修可变荷载为O.5kNm2,屋面雪荷载(=100)为0.6kNm23风载基本风压为0.35kNm乘用ANASYS软，牛流场限二1何!Tl4温度温度考虑25七5地震考虑三向地震2.2 基本内力计算结果在规范荷载组合下，屋盖中所有钢构件应力比均控制在0.9以下，柱底最大设计轴力为3780kN,屋面桁架最大应力比为0.536。在标准组合下钢屋盖挠度最大值出现在上部桁架位置，挠度为107.843mm(短跨68m,1/635,满足规范1/400的要求)，如图6所示。图6LO恒+1.0活作用下结构挠度（计算机截图）2.3 罕遇地震计算结果对E座整体模型进行罕遇地震下的时程分析，结果显示，钢屋盖在罕遇地震过

6、程中延性良好，塑性较首先出现在跨中部分，而后逐渐向四周扩展，在约束相对较弱处陆续出现较，总体塑性较分布与结构静力位移分布相同。其中悬吊的观景平台也体现出较好的延性。钱分布虽较多，但均在性能水准3范围内，满足本工程大震性能水准要求。2.4 屈曲分析由于单体E座钢屋盖结构属大跨度单层网壳结构且复杂程度较高，故按JGJ1-2010空间网格结构技术规程对钢屋盖进行弹性屈曲分析和弹塑性屈曲全过程分析（同时考虑几何和材料非线性）。本文通过3D3S,采用ANSYS有限元软件对网壳进行弹塑性屈曲分析。考虑可变荷载布置的不利影响，按满跨均布可变荷载和半跨均布可变荷载进行计算分析。线性屈曲特征值计算结果分别为40

7、.26与44.78,说明可变荷载满布为不利荷载工况。在标准组合下，考虑几何非线性与材料非线性，对钢屋盖进行弹塑性屈曲分析，考虑初始几何缺陷的影响引入1阶屈曲模态的初始缺陷，初始几何缺陷取361mm（跨度108.3m）,选取相应的位移参考点（图7）,采用ANSYS有限元软件进行网壳的弹塑性屈曲分析。图7位移参考点示意（计算机截图）从由弹塑性屈曲分析得到的荷载位移曲线可看出，初始结构处于弹性阶段，荷载随竖向位移线性增大。荷载系数接近4.54时位移迅速增加，结构表现出较强塑性变形，计算不收敛而终止，结构整体变形如图8所示，可认为结构已完全失效，屈曲荷载系数取为4.54,大于规程要求的2.0（弹塑性分

8、析），满足结构稳定性要求。图8屈曲时结构整体变形（计算机截图）2.5 钢结构节点应力分析钢屋盖结构杆件相交节点均采用相贯节点，节点汇交杆件较多。设计时主要采用节点形式为两向杆件相交时，杆件尺寸较大的管件作为贯通主管，节点域沿支杆方向设置横隔板，以提高承载力。少数受力复杂、连接杆件较多的节点则采用设置横隔板，同时增加局部板厚的做法。由于规范未提供复杂相贯节点的强度验算的公式，因此补充进行选取相连杆件较多的节点进行分析，典型节点位置如图9所示。该节点相交节点较多，共有8根杆件相连，内部设置4片横向加劲肋，且相连杆件内力较大，连接杆件中最大轴力为3380kNO计算时采用理想弹塑性材料，不考虑残余应力

9、的影响。在组合1（基本组合）作用下，构件板件因应力集中局部应力虽达到屈服强度，但范围较小；在组合2（水平大震组合）作用下，构件板件屈服范围扩大，屈服构件主要是斜杆端部，而节点区仍保持弹性工作；在组合3（竖向大震组合）作用下，同样杆件局部达到屈服应力，但节点区仍保持弹性范围。节点竖向构件除个别应力集中点外，节点最大应力为293MPa,满足承载力要求。图9节点立面位置（计算机截图）3结束语大跨度空间曲面网格钢结构的设计与常规结构设计仍存在较大差异，结构设计时应重视以下几点：（1）荷载选取包括屋面荷载、吊挂荷载、温度荷载、风雪地震荷载等，其中针对异形曲面的风荷载取值，需结合数值模拟和风洞试验；（2）结构体系与模型的建立既需拟合建筑的外表面，又需有明确的传力路径，可采用单层结构或多层结构；（3）根据实际受力及支座条件，可采用固定支座、转动支座、滑动支座等；（4）对复杂结构，需同时采用多种软件进行复核计算，针对屋盖结构还需对屋盖模型与整体模型进行包络设计；（5）大跨度钢结构需进行温度作用下的计算，复杂壳体还需进行弹塑性屈曲分析，罕遇地震时程分析及重要节点的有限元应力分析。除设计阶段需进行上述分析外，施工前还应编制专项施工方案，并在施工过程中进行全程监测。