劉寶元
(廈門立格鋼構技術有限公司,福建 廈門361009)
康巴演藝中心位于昌都市卡若區(qū)野堆村,重慶·三江原生態(tài)文化城。本工程地上3 層,地下1 層,建筑高度為20.7m,為多層公共建筑,總建筑面積為17 671m2,主要作為展覽、演藝、餐飲用房和活動場地。
本工程抗震設防烈度為8 度,設計基本地震加速度值為0.2g,設計地震分組第三組,場地類別II 類,抗震設防類別為乙類[1]。主體結構為多層鋼框架結構,屋蓋結構為大跨空間交叉桁架膜結構,平面投影為矩形,長跨方向97.2m,短跨方向68.8m,主桁架為三角空間桁架,并沿短向設置穩(wěn)定次桁架,2 個方向桁架形成12 個傘形膜。
為滿足建筑造型要求,本屋蓋選取了較大的傘形組合,單傘最大面積達到760m2,最小的傘560m2。屋蓋采用三角形空間管桁架為受力結構,若桁架兩端均固定,會對下部結構產生巨大的推力和彎矩,需要較大的柱截面才能滿足要求,會影響建筑功能和美觀,且下部建筑為分體結構,與屋蓋的位移協(xié)調難以保證。為解決上述問題,桁架支座采用一端固定鉸支座,一端滑動鉸支座。
本屋蓋采用3D3S 進行計算分析,屋蓋計算模型如圖1 所示。長向共4 榀主桁架,分別為主桁架1~4,主桁架兩側各2 處支座,支座間跨度為8.1m、81m、8.1m。各桁架主要信息如表1 所示,桿件材質為Q345B。主桁架剖面如圖2 所示。
圖1 屋蓋結構模型
圖2 主桁架剖面
表1 各榀桁架概況
由于主桁架跨度較大,為減小對下部結構產生的過大荷載,桁架左側支座設置為固定鉸支座,右側支座設置為滑動鉸支座。為了便于進行對比分析,將實際結構模型編號為模型1;將模型1 中支座均改為固定鉸支座,其余條件與模型1 一致的模型編號為模型2;將模型1 中支座均改為固定支座(剛接),其余條件與模型1 一致的模型編號為模型3。
屋面荷載考慮了屋面自重、活荷載、雪荷載、風荷載、地震作用、溫度作用、馬道燈光設備荷載和膜預張力。其中結構自重由軟件自動考慮,屋面活荷載0.3kN/m2,馬道燈光設備恒載1.2kN/m2、活載1.0kN/m2,膜預張力3.0kN/m, 雪荷載、風荷載、地震作用均按荷載規(guī)范取值,升、降溫度均按30℃考慮。本屋蓋為開敞結構,是對風荷載較為敏感的結構,風載體形系數按CECS 158:2015《膜結構技術規(guī)程》中附錄A.0.2 條取值:傘形膜風載體型系數,且考慮單坡屋面的不利影響,進行包絡設計。風載體型系數取值如圖3 所示。
圖3 風載體型系數取值
本項目屋蓋覆蓋材料為膜材,膜材本身不具有基本剛度和形狀,即在自然狀態(tài)下不具有承載能力,只有對膜材施加預應力才能獲得結構承載必需的剛度和形狀[2]。膜曲面形狀最終必須是在滿足一定邊界條件、一定預應力條件下形成的力學平衡,并以此為基準進行膜結構的荷載分析。本屋蓋依據膜面單體大小和荷載情況,膜預應力取值3.0kN/m,通過調整膜內索索力,最終找形出符合建筑模型的膜面形狀,并進行了膜預應力分析。膜找形初始態(tài)應力如圖4 所示。
圖4 膜找形初始態(tài)應力
由于屋蓋結構在鋼結構吊裝完畢后進行膜的安裝(即膜張拉),因此,膜張拉前結構處于無應力狀態(tài),膜張拉后膜對鋼構產生拉力,使結構整體處于預應力張緊狀態(tài)。這2 種狀態(tài)下屋蓋各桿件應力比均滿足設計要求。其中主桁架1 下弦桿應力比由0.378 提高到0.484,上弦桿應力比由0.414 提高到0.531。根據計算結果,桁架弦桿應力比提高了近30%,因此,可以看出,膜預應力的施加使結構自身產生了較大的內力。
屋蓋結構前6 階振型均為整體振型,本文給出前4 階振型特征,如表2 所示。
表2 屋蓋振動模態(tài)
在承載能力極限狀態(tài)下計算構件應力比。經計算,結構構件應力比最大值為0.841,均滿足要求。
在正常使用極限狀態(tài)下驗算結構撓度,本工程控制荷載組合為:1.20 恒載+1.40 活載+1.40×0.6 風載+1.4×0.6 降溫,屋蓋豎向變形最大點位于主桁架2 中跨,為139mm,相對撓度為1/582。為改善屋蓋外觀條件,主桁架要求預先起拱,起拱大小為恒荷載標準值加1/2 活荷載標準值所產生的撓度值,結構最終變形能滿足規(guī)范要求。
為考察各種邊界條件對下部結構和對屋蓋支座水平推力、豎向撓度和桿件應力的影響,進行了3 種模型的對比分析,分析結果如表3 所示,限于篇幅,表中各數據提取自主桁架3,各項均取所有工況的包絡最大值。
表3 模型對比(主桁架3)
由各模型對比分析可見,若支座固定,屋蓋受荷載后桿件應力較大,且對下部結構產生巨大的水平推力和彎矩,下部結構設計難度較大;若釋放支座位移,屋蓋桿件自身的內應力得到釋放,桿件應力變小,下部結構主要承受豎向荷載,容易設計,跨中撓度雖有增加,但還在設計允許范圍之內。
作為上部桁架結構與下部結構的連接構件,支座節(jié)點是鋼結構體系的重要元素之一。其主要功能是可靠地將上部結構的內力集中傳遞到下部,同時還可以起到釋放某些內力(水平推力、不利彎矩)的作用,以避免下部結構處于非常不利的復雜應力狀態(tài)。
本工程主立柱、斜立柱和撐桿在支座處交匯,為改善受力環(huán)境,在支座處增加半球體,各桿件均交匯于半球體上。為此,采用有限元軟件對該處支座進行了節(jié)點分析,各桿件內力采用各組合下桿件內力最大值。采用殼單元對該節(jié)點進行了有限元分析,分析結果中的SEQV(等效應力)應力云圖如圖5 所示。由圖5 可見,在設計荷載作用下,主立柱應力較小,斜立柱應力達到了170MPa,半球殼體應力均小于102MPa。在立柱與半球體的連接處存在應力集中現(xiàn)象,由于該處存在焊縫區(qū),且考慮到材料的塑性,該處應力難以達到計算值。由支座節(jié)點分析可知,支座能滿足結構要求,且具有較大的安全儲備。
圖5 支座節(jié)點等效應力云圖(單位:MPa)
通過對康巴演藝中心膜結構屋蓋進行分析,可以得到以下結論:
1)膜結構工程分析前,應對膜施加預應力,進行膜找形,得到需要的建筑形狀;張緊狀態(tài)下的膜布才具有抵抗荷載的能力。
2)膜布預應力傳遞給鋼結構后,結構桿件產生了內應力,最終使結構用鋼量增加。
3)通過設置固定鉸支座和單向滑動鉸支座釋放內力,調節(jié)屋蓋對下部結構的不利影響。
4)通過節(jié)點有限元分析,得出屋蓋支座處節(jié)點在設計荷載作用下處于彈性階段,滿足設計要求。