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        某室內(nèi)水樂園大跨度鋼結構屋蓋設計

        2018-12-27 06:40:54廖昉馬悅周鑫梁濤
        重慶建筑 2018年12期
        關鍵詞:風壓桿件跨度

        廖昉,馬悅,周鑫,梁濤

        (1重慶城市綜合交通樞紐(集團)有限公司,重慶 400039;2中機中聯(lián)工程有限公司,重慶 400025)

        1 工程概況

        某工程位于貴州省畢節(jié)市赫章縣境內(nèi),為溫泉大棚項目,主體結構由大小兩個橢圓組成。由于溫泉大棚內(nèi)功能較復雜,需要開敞的大型無柱空間,且對天然采光照明等要求較高,故建筑選用現(xiàn)代風格,通透明亮,富有時代感與科技感,功能與形式完美結合。結合建筑設計概念,結構形式采用了立體桁架體系,最大跨度61.5 m,結構高度25.5 m,大棚內(nèi)為泳池設施和設備機房等,屬于A級高度的高層建筑,嵌固端為基礎頂面。該工程的建筑外觀如圖1所示,施工現(xiàn)場圖如圖2所示。

        圖2 現(xiàn)場施工圖(2018年5月)

        該地區(qū)抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g,設計地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類,場地特征周期為0.45s。

        基礎持力層為碎石土,埋深為4.3 m,地下水平均水頭為1.6m。為適應后期內(nèi)部設施改造要求,基礎采用整體筏板,普通位置為600mm厚,鋼結構桁架柱腳處為1500mm厚。筏板基礎整體性好,基礎剛度大,由于頂部反壓了2.8m厚填土,故能同時滿足抗浮要求。

        2 結構設計分析

        2.1 結構布置

        鋼結構采用9榀倒三角立體主桁架單元,跨度從33.6 m至61.5m,每榀間距為15m,柱腳為固定鉸支座;腰部設置兩道環(huán)形桁架,分別設置在離地9.0m和16.0m高處,兩端設置斜向穩(wěn)定桁架與環(huán)形桁架相連;入口門廳空間桁架跨度為40.3m。大球及小球面位置次桁架為斜交平面桁架,以增加平面內(nèi)穩(wěn)定性;兩球相連的位置用三榀橫向桁架相連。結構平面布置圖如圖3所示。

        圖3 鋼結構屋面主結構布置圖

        主桁架主要尺寸為2m寬,根據(jù)跨度不同設置2~2.6m高倒三角形立體桁架,典型上弦桿截面尺寸為Φ351×20,典型下弦桿截面尺寸為Φ351×35,典型腹桿尺寸為Φ133×12??臻g主桿件全部采用Q345B強度鋼管,結構透視圖如圖4所示。

        圖4 結構透視圖

        2.2 結構模型的建立

        為適應非線性建筑外形,傳統(tǒng)的根據(jù)建筑剖面的建模方式很難實現(xiàn)結構構件完全貼合建筑表皮,且工作量大又容易出錯。根據(jù)筆者的多層探索,采用犀牛軟件對建筑表皮進行空間采樣,然后結合抽離出來的空間線段導入3D3S進行空間桁架建模。從圖4的結構透視圖中可以看出,空間桁架的兩根上弦桿高度不同,導致局部構件較為不規(guī)則,但這樣的建模方式能完全實現(xiàn)結構構件緊貼建筑外皮,達到建筑預期的效果。

        3 主要結構設計條件

        3.1 風荷載取值

        該工程處于高山地區(qū),風荷載作為結構設計的主要荷載,根據(jù)規(guī)范基本風壓0.35kN/m2(重現(xiàn)期100年),地面粗糙度類別B類。由于本建筑外形為非線性建筑,《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 5009-2012)[1]中不能查到準確的體形系數(shù),為了更加準確地分析建筑表面的風壓分布,本文利用Transition-SST模型,結合顧磊、張默、黃瀅等[2-4]的應用經(jīng)驗,以工程軟件ANSYS分析了風荷載對結構的影響。

        該工程用犀牛曲面軟件擬合還原了建筑模型,通過導入ANSYS-Structural完成了風場范圍的建模和網(wǎng)格劃分工作。然后將模型及有限元網(wǎng)格導出為通用格式,在ANSYS-Fluent中定義了速度進口邊界條件Velocity-inlet和壓強出口邊界條件Pressure-outlet,編寫腳本文件導入了隨高度變化的入射風場,完成了該結構的風荷載有限元分析。

        當風荷載從建筑側向以90度角吹向結構時,在出射方向的建筑側面產(chǎn)生了風吸。由于建筑整體高度不高,且周圍地勢平坦,所以在高度方向上的風速變化不明顯。該角度的風荷載風壓和風速云圖如圖5所示。

        圖5 側向風荷載風壓和風速云圖

        當風荷載從建筑正向以0度角吹向結構時,經(jīng)過計算所得到的分析結果云圖如圖6所示。

        圖6 正向風荷載風壓和風速云圖

        從圖6中可以看到,建筑體型對風荷載的影響較為明顯。在鋼結構最高處,風荷載的風速較大,應在設計荷載取值時予以體現(xiàn)。結構在出射方向的風吸作用不明顯。迎風面為正壓,平均風壓在0.20~0.33kN/m2之間,風壓高度變化系數(shù)μz=1.39,計算分析小于規(guī)范。偏于安全考慮,采用規(guī)范值進行計算。采用前后左右四個方向輸入風吸和風壓,并與地震工況、溫度工況進行組合計算。

        3.2 雪荷載取值

        該工程為大跨度結構,按荷載規(guī)范屬于對雪荷載敏感的建筑,基本雪壓按100年一遇取值,并考慮山區(qū)雪荷載系數(shù)后為0.3×1.2=0.36kN/m2。在建筑物表面的凹進區(qū)域,考慮不均勻分布情況雪荷載標準值為Sk=0.36×2.0=0.72kN/m2。雪荷載標準值分布示意圖如圖7所示。

        圖7 雪荷載標準值分布示意圖

        3.3 溫度作用

        鋼結構溫度計算以預計合攏溫度10℃為基準,根據(jù)我國規(guī)范,當?shù)刈畹蜑?4℃,最高為30℃,計算按照降溫-15℃和升溫30℃兩個工況參與進行組合計算。

        3.4 地震作用

        該工程設防烈度為6度,抗震設防分類為丙類,設計基本加速度為0.50g,地震影響系數(shù)最大值為0.04,場地類別為Ⅱ類,多遇地震下阻尼比取0.03。該工程定義了X向,Y向,Z(豎向)、斜交45度[5-6]。

        4 結構分析結果

        在結構分析時,采用了3D3S和SAP2000軟件分別進行了整體分析并進行對比。從計算結果可以看到,兩種軟件的計算結果接近。分析結果按恒載、活載、不利活荷載布置、風荷載、雪荷載、溫度荷載、地震作用進行組合,取不利結果進行后期設計。

        4.1 周期及振型

        第一階振型為短向平動,T1=1.27s,處于基本合理的范圍,第二階振型為長向平動,T2=1.05s,第三階振型為扭轉,Tt=0.85s,周期比為Tt/T1=0.67,從結構模態(tài)分析結果可以看出結構具有較好的抗扭剛度。結構前兩階振型圖如圖8所示。

        圖8 結構前兩階振型圖

        4.2 結構變形

        通過前期結構布置分析發(fā)現(xiàn),腰部的兩道桁架對結構的整體剛度和各榀桁架的協(xié)調工作影響較大,經(jīng)過多次分析計算,將原方案中的三角形桁架優(yōu)化為矩形空間桁架,并增加了跨度較大的幾個桁架附近桿件的截面。在1.2恒載+1.4風荷載作用下,原方案結構最大水平位移為231 mm,D/H=1/118(位移角),加強腰桁架后結構最大水平位移為56 mm,D/H=1/486(位移角),滿足《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017-2014)[7]要求。

        結構1.0在恒載+1.0活載工況下,最大豎向撓度為72.1 mm,出現(xiàn)在對大跨度主桁架中點位置,為對應跨度的1/852,滿足《空間網(wǎng)格技術規(guī)程》(JGJ 7-2010)[8]中的限制1/250。

        結構的變形分析結果表明,結構整體剛度合理。

        4.3 線性屈曲分析

        該工程為拱形桁架結構,需要對結構整體進行穩(wěn)定性分析,以保證結構的安全。對3種典型工況進行了穩(wěn)定性分析。第一階失穩(wěn)的位置均出現(xiàn)平面次桁架位置,3個工況前6個屈曲模態(tài)都沒有出現(xiàn)主桁架失穩(wěn)的情況,具體屈曲特征值詳見表1。所有特征值均滿足《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》中大于4.2的要求,證明結構整體具有良好的穩(wěn)定性,在后期設計中考慮增加檁條提高次桁架的穩(wěn)定性。

        表1 結構整體屈曲分析結果

        4.4 典型主桁架設計結果

        通過計算發(fā)現(xiàn),桁架兩端的桿件內(nèi)力明顯大于中間桿件。故將端部桿件截面加大,往上逐步減小桿件截面,有效經(jīng)濟地利用材料。結構兩側桁架跨度較小,桿件內(nèi)力也較小,通過多次計算調整,反復調整桿件的截面。

        典型主桁架桿件截面設計結果見表2。小震設計應力比限值取0.8,經(jīng)過驗算所有桿件均能滿足承載力和穩(wěn)定性要求。中震設計時支座桿件應力比控制在0.9以內(nèi),滿足中震彈性性能目標。

        表2 典型主桁架桿件截面

        4.5 典型支座設計

        支座設計時采用最不利組合包絡設計。取跨度為61.5m最大跨桁架的兩個典型支座反力進行分析,最大軸力Nz=3583kN,對應的荷載組合為1.2恒載+1.4活載+0.84升溫,最大水平方向反力為Ny=1311kN,對應的荷載組合為1.2恒載+0.98活載+0.84左風+1.4升溫。

        主桁架支座采用抗震球形支座,支座按中震彈性進行設計。對球形支座增加了兩道22mm厚水平肋板和十字縱向肋板進行加強。主桁架支座均采用固定鉸支座,支撐在混凝土框架柱上,并設置剪力墻抵抗水平力。典型支座示意圖如圖9所示。

        圖9 典型支座圖

        5 結語

        本文介紹了一處位于高山地區(qū)的非線性建筑大跨度鋼結構設計過程,描述了非線性建筑的結構建模方法,并且由于非線性建筑風荷載、雪荷載的取值沒有規(guī)范可以參照,本文重點提出了解決這種非線性建筑荷載取值的方法。結合風荷載、雪荷載及地震等作用的組合計算,對結構的自振特性、結構變形和線性屈曲等進行了驗算,有效地保證了結構的整體安全。本文介紹的結構分析方法對類似工程具有一定的指導作用。

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