衢州市文化藝術(shù)中心和便民服務(wù)中心項目空間曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計

浙江省衢州市文化藝術(shù)中心和便民服務(wù)中心項目由劇院演藝中心、文化中心、行政服務(wù)中心、后勤保障用房及配套交流中心、中央大堂五大板塊組成（圖1），上部建筑總平面呈米字形，長約295?m，寬約223?m，平面上各單體相對獨立，又通過中央圓形廣場有機(jī)鏈接，通過設(shè)置抗震縫劃分為6個結(jié)構(gòu)單元（圖2）。本文介紹E座（中央大堂）的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計。圖1?總體效果圖2?結(jié)構(gòu)分區(qū)1?結(jié)構(gòu)體系選擇單體E座（中央大堂）采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，首層層高5.0?m，二層、三層、四層層高5.4?m，五層、六層、七層層高4.2?m。典型平面結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。首層結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸為105?m×110?m，結(jié)構(gòu)高寬比為0.5。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為16?m×80?m，最大高寬比為3.0，兩者的高寬比均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。屋蓋采用大跨度空間鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體模型如圖4所示。嵌固端位于地下室一層底板。圖3?單體E座鋼屋蓋三維結(jié)構(gòu)示意圖4?單體E座整體模型本工程梁、板混凝土強(qiáng)度等級為C?35，墻柱為C?50~C?35，局部豎向構(gòu)件采用鋼筋混凝土與型鋼組合桿件以滿足關(guān)鍵部位承載力要求。鋼屋蓋主要采用Q?345?B鋼材，根據(jù)承載力及結(jié)構(gòu)變形要求設(shè)計構(gòu)件尺寸。在整個地塊的南向主入口設(shè)置下沉廣場，主入口兩側(cè)有大量開敞及通高空間，對建筑空間效果要求較高，只允許設(shè)置少量柱子；且為減少遮擋視線結(jié)構(gòu)桿件，中央大廳頂蓋采用結(jié)構(gòu)幕墻一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)桿件既作為支撐體系，又需與幕墻單元劃分相匹配，為結(jié)構(gòu)設(shè)計增加了難度。經(jīng)多方案對比，確定中央大廳頂蓋采用空間鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，屋蓋高度48?m，最大跨度79?m，網(wǎng)格劃分為3.5?m左右的結(jié)構(gòu)單元。鋼屋蓋主要截面尺寸見表1。屋蓋框架柱采用鋼管截面，其余主要桿件采用箱型截面。表1?單體E座鋼結(jié)構(gòu)屋蓋構(gòu)件主要截面mm由于屋蓋跨度遠(yuǎn)超JGJ?1—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定的單層網(wǎng)殼的計算跨度，且計算撓度難以滿足規(guī)范要求，故在跨度較大的屋頂設(shè)置縱橫正交的鋼結(jié)構(gòu)桁架，x方向桁架結(jié)構(gòu)跨度為76?m，桁架高度4.3?m；y方向桁架結(jié)構(gòu)跨度為51?m，桁架高度4.3?m。在屋蓋下坡底部設(shè)1?m高鋼梁用于控制整體變形。經(jīng)后續(xù)計算分析，屋蓋體系變形和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求和建筑幕墻結(jié)構(gòu)一體化的需求（表1）。鋼屋蓋體系建模主要過程為：方案造型確立→模型提取→網(wǎng)格劃分→幕墻結(jié)構(gòu)一體化造型。2?鋼屋蓋受力分析E座鋼屋蓋的計算采用YJK整體計算與3D3S單獨計算進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。（a）

（b）（c）

（d）（e）圖5?鋼屋蓋結(jié)構(gòu)模型建立過程

（a）步驟1；（b）步驟2；（c）步驟3；（d）步驟4；（e）步驟52.1?荷載情況屋蓋荷載情況見表2。表2?荷載工況2.2?基本內(nèi)力計算結(jié)果在規(guī)范荷載組合下，屋蓋中所有鋼構(gòu)件應(yīng)力比均控制在0.9以下，柱底最大設(shè)計軸力為3?780?kN，屋面桁架最大應(yīng)力比為0.536。在標(biāo)準(zhǔn)組合下鋼屋蓋撓度最大值出現(xiàn)在上部桁架位置，撓度為107.843?mm（短跨68?m，1/635，滿足規(guī)范1/400的要求），如圖6所示。圖61.0恒+1.0活作用下結(jié)構(gòu)撓度（計算機(jī)截圖）2.3?罕遇地震計算結(jié)果對E座整體模型進(jìn)行罕遇地震下的時程分析，結(jié)果顯示，鋼屋蓋在罕遇地震過程中延性良好，塑性鉸首先出現(xiàn)在跨中部分，而后逐漸向四周擴(kuò)展，在約束相對較弱處陸續(xù)出現(xiàn)鉸，總體塑性鉸分布與結(jié)構(gòu)靜力位移分布相同。其中懸吊的觀景平臺也體現(xiàn)出較好的延性。鉸分布雖較多，但均在性能水準(zhǔn)3范圍內(nèi)，滿足本工程大震性能水準(zhǔn)要求。2.4?屈曲分析由于單體E座鋼屋蓋結(jié)構(gòu)屬大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)且復(fù)雜程度較高，故按JGJ?1—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對鋼屋蓋進(jìn)行彈性屈曲分析和彈塑性屈曲全過程分析（同時考慮幾何和材料非線性）。本文通過3D3S，采用ANSYS有限元軟件對網(wǎng)殼進(jìn)行彈塑性屈曲分析?？紤]可變荷載布置的不利影響，按滿跨均布可變荷載和半跨均布可變荷載進(jìn)行計算分析。線性屈曲特征值計算結(jié)果分別為40.26與44.78，說明可變荷載滿布為不利荷載工況。在標(biāo)準(zhǔn)組合下，考慮幾何非線性與材料非線性，對鋼屋蓋進(jìn)行彈塑性屈曲分析，考慮初始幾何缺陷的影響引入1階屈曲模態(tài)的初始缺陷，初始幾何缺陷取361?mm（跨度108.3?m），選取相應(yīng)的位移參考點（圖7），采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)殼的彈塑性屈曲分析。圖7?位移參考點示意（計算機(jī)截圖）從由彈塑性屈曲分析得到的荷載位移曲線可看出，初始結(jié)構(gòu)處于彈性階段，荷載隨豎向位移線性增大。荷載系數(shù)接近4.54時位移迅速增加，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)塑性變形，計算不收斂而終止，結(jié)構(gòu)整體變形如圖8所示，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)已完全失效，屈曲荷載系數(shù)取為4.54，大于規(guī)程要求的2.0（彈塑性分析），滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。圖8?屈曲時結(jié)構(gòu)整體變形（計算機(jī)截圖）2.5?鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點應(yīng)力分析鋼屋蓋結(jié)構(gòu)桿件相交節(jié)點均采用相貫節(jié)點，節(jié)點匯交桿件較多。設(shè)計時主要采用節(jié)點形式為兩向桿件相交時，桿件尺寸較大的管件作為貫通主管，節(jié)點域沿支桿方向設(shè)置橫隔板，以提高承載力。少數(shù)受力復(fù)雜、連接桿件較多的節(jié)點則采用設(shè)置橫隔板，同時增加局部板厚的做法。由于規(guī)范未提供復(fù)雜相貫節(jié)點的強(qiáng)度驗算的公式，因此補(bǔ)充進(jìn)行選取相連桿件較多的節(jié)點進(jìn)行分析，典型節(jié)點位置如圖9所示。該節(jié)點相交節(jié)點較多，共有8根桿件相連，內(nèi)部設(shè)置4片橫向加勁肋，且相連桿件內(nèi)力較大，連接桿件中最大軸力為3?380?kN。計算時采用理想彈塑性材料，不考慮殘余應(yīng)力的影響。在組合1（基本組合）作用下，構(gòu)件板件因應(yīng)力集中局部應(yīng)力雖達(dá)到屈服強(qiáng)度，但范圍較??；在組合2（水平大震組合）作用下，構(gòu)件板件屈服范圍擴(kuò)大，屈服構(gòu)件主要是斜桿端部，而節(jié)點區(qū)仍保持彈性工作；在組合3（豎向大震組合）作用下，同樣桿件局部達(dá)到屈服應(yīng)力，但節(jié)點區(qū)仍保持彈性范圍。節(jié)點豎向構(gòu)件除個別應(yīng)力集中點外，節(jié)點最大應(yīng)力為293?MPa，滿足承載力要求。圖9?節(jié)點立面位置（計算機(jī)截圖）3?結(jié)束語大跨度空間曲面網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計仍存在較大差異，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)重視以下幾點：（1）荷載選取包括屋面荷載、吊掛荷載、溫度荷載、風(fēng)雪地震荷載等，其中針對異形曲面的風(fēng)荷載取值，需結(jié)合數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗；（2）結(jié)構(gòu)體系與模型的建立既需擬合建筑的外表面，又需有明確的傳力路徑，可采用單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)；（3）根據(jù)實際受力及支座條件，可采用固定支座、轉(zhuǎn)動支座、滑動支座等；（4）對復(fù)雜結(jié)