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        倒錐體螺旋鋼結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        2020-10-28 03:12:12劉云浪李建偉
        廣東土木與建筑 2020年10期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)分析

        劉云浪,李建偉,王 寧

        (悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)(深圳)有限公司 深圳518048)

        1 工程概況

        長(zhǎng)沙某項(xiàng)目位于湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)梅溪湖核心區(qū)域,獨(dú)特的造型使其成為該區(qū)域最具特色的地標(biāo)。建筑效果如圖1所示。

        圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Rendering View

        本項(xiàng)目占地約21 258 m2,包括1 500 m2的服務(wù)中心、倒錐體螺旋觀(guān)景建筑物、人行天橋。

        結(jié)構(gòu)體系新穎的倒錐體螺旋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年,安全等級(jí)二級(jí),抗震設(shè)防烈度為6度(0.05 gal),場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi),Tg=0.35 s,抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),地震分組為第一組??蚣苤拐鸬燃?jí)為三級(jí),其余構(gòu)件為四級(jí)。

        2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

        倒錐體螺旋結(jié)構(gòu)由32顆斜柱[1]、沿斜柱高度設(shè)置20道環(huán)向鋼棒拉桿、相互環(huán)繞的內(nèi)外螺旋環(huán)道通過(guò)鋼板連接在斜柱上。

        32顆斜柱柱底中心直徑40 m、柱頂中心直徑72 m的圓周均勻布置,斜柱向上往外傾斜,與水平成63°夾角。斜柱截面采用等寬變高度的箱型截面,底部~頂部截面為2 600×300×28×35~800×300×28×35。

        斜柱面外即螺旋結(jié)構(gòu)環(huán)向,沿柱高度方向有序設(shè)置20 道φ 30 預(yù)應(yīng)力鋼棒拉桿,提高了斜柱面外穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)整體性。

        螺旋環(huán)道為彎扭構(gòu)件,采用三角形空心梁概念,三角形三邊為12 mm 厚鋼板,在腔體內(nèi)部設(shè)置縱向通長(zhǎng)加勁肋、橫向加勁肋以解決鋼板局部穩(wěn)定問(wèn)題,確保螺旋環(huán)道具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

        螺旋環(huán)道直徑大、圈數(shù)多、長(zhǎng)細(xì)比大,豎向剛度弱。根據(jù)建筑要求,且為了體現(xiàn)螺旋環(huán)道飄帶輕盈的效果,螺旋環(huán)道側(cè)壁與斜柱采用全偏心節(jié)點(diǎn)連接,環(huán)道與斜柱側(cè)壁間隙600 mm。通過(guò)鋼板伸入斜柱內(nèi)、伸入三角形空心梁內(nèi),將螺旋環(huán)道懸挑連接在斜柱兩側(cè)或置于柱頂。其中,柱中懸挑連接在斜柱兩側(cè)的鋼板可標(biāo)準(zhǔn)化分為內(nèi)螺旋環(huán)道連接件、外螺旋環(huán)道連接件;由于造型原因,置于柱頂?shù)穆菪h(huán)道與斜柱相對(duì)位置不一,柱頂連接件做法均不統(tǒng)一,部分連接件受彎矩、軸力較大,對(duì)連接件的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度。

        倒錐體螺旋結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

        圖2 倒錐體螺旋結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.2 Illustration of Inverted Cone Helical Structure

        3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及性能目標(biāo)

        3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

        ⑴在風(fēng)荷載或多遇地震作用下的層間位移角限值為1/250。鋼結(jié)構(gòu)螺旋環(huán)道撓度限值為L(zhǎng)/400,懸挑端撓度限值為L(zhǎng)/200(L為最大跨度或懸挑長(zhǎng)度)。

        ⑵最不利組合設(shè)計(jì)應(yīng)力≤0.9f(f為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)。

        ⑶整體結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性屈曲臨界荷載系數(shù)>10;考慮初始缺陷和幾何非線(xiàn)性整體結(jié)構(gòu)的屈曲臨界荷載系數(shù)>5;斜柱屈曲滯后于整體結(jié)構(gòu)屈曲。

        ⑷ 螺旋環(huán)道舒適度控制:螺旋環(huán)道豎向頻率>3 Hz,加速度<0.5 m/s2。

        3.2 性能目標(biāo)

        參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50011-2010》[2]確定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)為“C”,即小震不需要修理即可繼續(xù)使用,中震一般修理后可繼續(xù)使用,大震修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)要求如表1所示。

        表1 性能設(shè)計(jì)要求Tab.1 Performance Design Requirements

        4 荷載作用

        4.1 重力荷載

        結(jié)構(gòu)自重包括柱、拉桿、螺旋環(huán)道、連接件、加勁肋等,鋼材容重按78.5 kN/m3;螺旋環(huán)道面層附加恒載1.9 kN/m2。螺旋環(huán)道上均布活荷載按5 kN/m2,分布形式為滿(mǎn)跨均勻分布和半跨均勻分布,如圖3所示。

        4.2 地震作用

        抗震設(shè)防烈度為6度(0.05 gal),場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi),Tg=0.35 s,抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),地震分組為第一組,阻尼比取2%。通過(guò)與安評(píng)報(bào)告分析比較,安評(píng)譜起控制作用,小震地震影響系數(shù)按場(chǎng)地安評(píng)譜取值(αmax=0.063),中震、大震按文獻(xiàn)[2]取值。地震作用分別按單向、雙向、三向地震輸入。輸入地震作用方向如圖4所示。

        圖3 半跨荷載布置示意圖Fig.3 Illustration of Half-span Load Layout

        圖4 輸入地震作用方向示意圖Fig.4 Illustration of Input Seismic Direction

        4.3 風(fēng)荷載

        本工程地處長(zhǎng)沙市梅溪湖人工島上,地面粗糙度類(lèi)別取B 類(lèi)?;撅L(fēng)壓取0.35 kN/m2(50年重現(xiàn)期,指標(biāo)及承載力計(jì)算)、0.25 kN/m2(10年重現(xiàn)期,舒適度計(jì)算)。風(fēng)載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:GB 50009-2012》[3]取值。與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較,按文獻(xiàn)[3]計(jì)算結(jié)果略大,因此風(fēng)荷載按文獻(xiàn)[3]取值。采用8個(gè)風(fēng)向角度輸入風(fēng)荷載,分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。

        4.4 雪荷載

        基本雪壓0.45 kN/m2(50 年重現(xiàn)期)。參考《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50135-2006》[4],螺旋環(huán)道側(cè)面按覆冰厚度30 mm 計(jì)算,螺旋環(huán)道頂面及其它構(gòu)件按覆冰厚度50 mm計(jì)算構(gòu)件上的覆冰荷載。

        4.5 溫度作用

        根據(jù)施工計(jì)劃,合攏溫度取+20℃,升溫溫差取+40℃,降溫溫差取-30℃。

        5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        5.1 結(jié)構(gòu)彈性指標(biāo)

        主體結(jié)構(gòu)主要采用SAP2000、Midas Gen 軟件計(jì)算,其中柱、連接件采用桿單元模擬,螺旋環(huán)道分別采用薄殼單元和等代桿單元模擬。經(jīng)分析比較,螺旋環(huán)道采用薄殼單元和等代桿單元計(jì)算指標(biāo)基本相當(dāng)。結(jié)構(gòu)指標(biāo)如表2所示。

        表2 結(jié)構(gòu)指標(biāo)Tab.2 Structural Indicators

        5.2 桿件應(yīng)力比

        構(gòu)件應(yīng)力比分布如圖5所示。斜柱及連接件應(yīng)力比均不超過(guò)0.9;螺旋環(huán)道應(yīng)力比均在0.3 以下。預(yù)應(yīng)力鋼棒拉桿對(duì)防止斜柱屈曲起到有效作用,施加預(yù)應(yīng)力均小于0.2f(f為鋼棒抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值),且以風(fēng)荷載及大震作用下不松弛作為控制條件[5]。

        圖5 構(gòu)件應(yīng)力比分布Fig.5 Distribution of Member Stress Ratio

        5.3 規(guī)避第一周期扭轉(zhuǎn)的措施

        倒錐體結(jié)構(gòu)往上外斜導(dǎo)致質(zhì)量和分布范圍越大,往上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大[6],且結(jié)構(gòu)抗扭剛度弱,導(dǎo)致原方案第1周期為扭轉(zhuǎn)。為規(guī)避第1周期扭轉(zhuǎn),可采取弱化平動(dòng)剛度或提高抗扭剛度的措施。分別對(duì)2種方案進(jìn)行試算,方案1(弱化平動(dòng)剛度):螺旋環(huán)道與斜柱鉸接;方案2(提高抗扭剛度):在螺旋環(huán)道首末兩端設(shè)置三向不動(dòng)鉸,“鎖死”螺旋環(huán)道的三向平動(dòng)。3 個(gè)方案的前3 個(gè)模態(tài)如表3 所示。由表3 可知,方案1 和方案2的第1、2周期均為平動(dòng),第3周期為扭轉(zhuǎn),可達(dá)到規(guī)避第1周期扭轉(zhuǎn)的目的。但方案1螺旋環(huán)道撓度較大,且舒適度不能滿(mǎn)足要求,因此采用方案2 提高抗扭剛度的措施:在內(nèi)螺旋環(huán)道下端點(diǎn)設(shè)置十字插板與基礎(chǔ)連接,在外螺旋環(huán)道下端點(diǎn)設(shè)置人字撐與基礎(chǔ)連接。

        表3 結(jié)構(gòu)模態(tài)Tab.3 Structural Modal

        5.4 人行走舒適度分析

        結(jié)構(gòu)斜柱徑向外傾斜,螺旋環(huán)道通過(guò)懸挑鋼板懸挑于斜柱上,結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕,應(yīng)進(jìn)行人行走舒適度分析。

        鑒于國(guó)內(nèi)規(guī)范無(wú)針對(duì)室外人行天橋加速度限制要求,以美國(guó)ATC[7]規(guī)范作為螺旋環(huán)道豎向振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),如圖6所示,按室外天橋限值0.5 m/s2考慮。

        圖6 ATC峰值加速度限值Fig.6 ATC Peak Acceleration Limit

        螺旋環(huán)道第一階豎向頻率如圖7所示,為3.7 Hz。對(duì)螺旋環(huán)道施加人行荷載激勵(lì)[8,9],左側(cè)螺旋環(huán)道密度約1 人/4 m2,其它按1 人/m2考慮,考慮人行走的隨機(jī)性,頻率按正態(tài)分布考慮,初相位按均勻分布考慮,3組隨機(jī)數(shù)。螺旋環(huán)道加速度云圖如圖8所示,最大加速度為0.37 m/s2,小于0.5 m/s2,滿(mǎn)足文獻(xiàn)[7]要求。

        圖7 螺旋環(huán)道第一階豎向頻率Fig.7 First-order Vertical Frequency of Helical Walkway

        圖8 螺旋環(huán)道加速度云圖Fig.8 Acceleration of Helical Walkway

        5.5 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分析

        由于建筑要求螺旋環(huán)道平臺(tái)上做到無(wú)柱效果,螺旋環(huán)道側(cè)壁與斜柱側(cè)壁存在600 mm 空隙,螺旋環(huán)道通過(guò)連接件懸挑在斜柱上,形成輕盈效果。

        對(duì)于柱中節(jié)點(diǎn),由于60 mm厚懸挑鋼板連接件主要受彎矩作用,上下面與斜柱連接區(qū)域小,應(yīng)力集中,在銳角區(qū)域采取100 mm倒角,可將應(yīng)力控制在300 MPa以?xún)?nèi)。柱中節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果如圖9所示。

        圖9 柱中節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力分析結(jié)果Fig.9 Finite Element Stress Analysis Results of Column Mid-joints(Pa)

        對(duì)于柱頂節(jié)點(diǎn),除了承受較大彎矩同時(shí)承受較大軸壓力,80 mm 厚鋼板應(yīng)力最高達(dá)500 MPa。采取斜柱往上伸600 mm 抵至螺旋環(huán)道底部以增加鋼板與斜柱接觸面的措施后,鋼板應(yīng)力可控制在300 MPa。柱頂節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果如圖10所示。

        圖10 柱頂節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力分析結(jié)果Fig.10 Finite Element Stress Analysis Results of Column Top Joints(Pa)

        5.6 柱腳節(jié)點(diǎn)分析

        柱根截面高度2.6 m,埋入混凝土承臺(tái)3.3 m,按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 99-2015》[10]公式進(jìn)行分析設(shè)計(jì),在最不利地震工況作用下,混凝土承壓應(yīng)力18.0 MPa小于軸心抗壓強(qiáng)度19.1 MPa,錨栓、配筋按規(guī)范計(jì)算。并采用有限元軟件ABAQUS對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。柱腳節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果如圖11所示。分析結(jié)果顯示鋼柱最大應(yīng)力在160 MPa 以?xún)?nèi),混凝土應(yīng)力在11 MPa 以?xún)?nèi),均低于所用材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

        圖11 柱腳節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力分析結(jié)果Fig.11 Finite Element Stress Analysis Results of Column Foot Joints(Pa)

        由于承臺(tái)頂部應(yīng)力相對(duì)較大,為防止混凝土承臺(tái)裂縫開(kāi)展,在承臺(tái)頂部設(shè)置了加強(qiáng)箍筋網(wǎng)片,并在鋼柱上設(shè)置了抗剪栓釘,確保柱腳與承臺(tái)共同工作。

        6 結(jié)語(yǔ)

        長(zhǎng)沙梅溪湖城市島為倒錐體螺旋鋼結(jié)構(gòu)體系新穎,經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證會(huì)、與方案設(shè)計(jì)公司多次溝通討論,在結(jié)構(gòu)體系、斜柱形式、螺旋環(huán)道形式等方面,特別是在規(guī)避第1周期扭轉(zhuǎn)的措施、人行走舒適度、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分析、柱腳節(jié)點(diǎn)分析等方面進(jìn)行深入分析和研究,最終完成設(shè)計(jì),并于2016年順利通過(guò)竣工驗(yàn)收。目前為止,本項(xiàng)目已運(yùn)營(yíng)近4年,受到各方好評(píng)。

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