大跨空間結(jié)構(gòu)選型及抗震性能分析

金奇峰，劉慶江

(北京維拓時(shí)代建筑設(shè)計(jì)有限公司,北京 100020)

隨著時(shí)代的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)在大型體育館、會展中心、候機(jī)廳、大型宴會廳等大跨度公共建筑中得到廣泛應(yīng)用，在荷載作用下，其具有三維受力、空間協(xié)同工作的特性，可以充分利用材料特性，適應(yīng)不同建筑功能和造型的需求。項(xiàng)目建筑功能為宴會廳，該文選用兩種空間結(jié)構(gòu)方案做對比分析，以更好地了解空間網(wǎng)架和立體桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震性能。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

某項(xiàng)目建筑功能為宴會廳，長39 m，寬27 m，結(jié)構(gòu)高度為28 m；項(xiàng)目位于8度(0.2g)地區(qū)，場地類別為Ⅲ類，地震分組為二組，設(shè)防類別為丙類，安全等級為二級，基本風(fēng)壓為w0=0.45 kN/m2，屋面體形系數(shù)為-0.6，地面粗糙類別為B類，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

項(xiàng)目柱距如圖1、圖2所示，柱截面為800 mm×800 mm，在結(jié)構(gòu)高度為13 m處有框梁拉結(jié)，梁截面為300 mm×800 mm。梁柱混凝土等級為C30，鋼筋采用HRB400；屋蓋采用圓鋼管截面，材料為Q355。屋蓋采用輕型屋面，根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度及建筑功能要求，屋蓋形式擬采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與立體管桁架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對兩種結(jié)構(gòu)形式的合理性進(jìn)行對比研究，以確定更加合理的結(jié)構(gòu)形式。

1.3 結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)方案一采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一個空間鉸接的桿系結(jié)構(gòu)，在外力作用下不允許幾何可變，故首先必須保證結(jié)構(gòu)為幾何不變結(jié)構(gòu)。屋蓋結(jié)構(gòu)為周邊支承形式，短跨為27 m，短跨與長跨的比值約為0.7,初步選為正交正放四角錐網(wǎng)架。網(wǎng)架跨度為27 m，網(wǎng)格尺寸約為跨度的1/6至1/12；同時(shí)根據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)[1]，網(wǎng)格數(shù)取值約為(6～8)+0.07L2,其中L2為網(wǎng)架短向跨度，故該項(xiàng)目網(wǎng)格數(shù)取值為9,即網(wǎng)格上弦與下弦長度為3 m；網(wǎng)架高度取值為2.1 m。

結(jié)構(gòu)方案二為立體管桁架結(jié)構(gòu)，桁架為直線型桁架，采用小立柱找坡。立體桁架的高度[2]可取跨度的1/12至1/16，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)架高度取為2.1 m，網(wǎng)格上弦與下弦長度為3 m。

2 結(jié)構(gòu)靜力分析

2.1 靜力分析模型

對結(jié)構(gòu)采用3D3S軟件進(jìn)行分析，方案一與方案二屋蓋形式[3]均采用圓管截面，截面不小于60 mm×3.5 mm，最終截面大小利用3D3S截面優(yōu)選功能，根據(jù)應(yīng)力比確定，方案一與方案二定義應(yīng)力比不超0.85；方案一與方案二屋面荷載相同，屋面恒載(含自重)為0.5 kN/m2，屋面活載0.5 kN/m2，活載考慮半跨不利布置，吊掛荷載0.15 kN/m2，并考慮溫度荷載、風(fēng)荷載作用、水平地震作用與豎向地震作用[4]。結(jié)構(gòu)進(jìn)場溫度為18 ℃，當(dāng)?shù)貧v史最高溫度36 ℃，歷史最低溫度-13 ℃，由此求得溫度增量1為18 ℃，溫度增量2為-31 ℃。模型計(jì)算簡圖如圖3與圖4所示。

2.2 靜力分析結(jié)果

2.2.1 模態(tài)分析

方案一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的第一振型為Y向平動，如圖5所示，自振周期為2.12 s；方案二立體桁架結(jié)構(gòu)的第一振型同樣為Y向平動，如圖6所示，自振周期為2.45 s；說明方案一與方案二Y向剛度均較弱，方案一結(jié)構(gòu)自重為520 t，方案二結(jié)構(gòu)自重為517 t，根據(jù)T=(m/k)0.5,得k=m/T2，通過計(jì)算可得方案一結(jié)構(gòu)剛度約為方案二結(jié)構(gòu)剛度的1.34倍，說明方案一抗側(cè)剛度優(yōu)于方案二結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度[5]。

2.2.2 應(yīng)力比

通過結(jié)構(gòu)靜力分析可知，方案一與方案二強(qiáng)度與穩(wěn)定應(yīng)力比均能滿足規(guī)范要求；方案一與方案二所得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力比如圖7及圖8所示。方案一上弦桿截面(外徑、壁厚單位均為mm)為75.5×3.75，結(jié)構(gòu)跨中部位上弦受力較大采用88.5×4；腹桿為76×4；下弦桿截面為89×4。方案二上弦桿多為75.5×3.75；個別受力較大的上弦桿采用108×4；腹桿為76×4，系桿為219×4與140×5兩種截面；下弦桿多為325×16。

由分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范應(yīng)力比的要求，方案二采用的上弦與下弦桿截面多數(shù)大于方案一上下弦所用截面。

2.2.3 結(jié)構(gòu)豎向位移

方案一與方案二結(jié)構(gòu)豎向位移較大的部位均位于跨中部位，如圖9與10所示，最大位移均在57 mm與68 mm之間。方案一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)贅余度多于方案二結(jié)構(gòu)贅余度，方案一結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)作用優(yōu)于方案二，使得方案一屋蓋結(jié)構(gòu)受力更加均勻，結(jié)構(gòu)受力更加合理。

2.2.4 結(jié)構(gòu)用鋼量統(tǒng)計(jì)

對方案一與方案二屋面結(jié)構(gòu)用鋼量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方案一用鋼量為24.9 t，方案二為22.5 t。方案一用鋼量要多于方案二的用鋼量，相對于方案二，方案一約多用10%的鋼材。

3 靜力彈塑性分析

3.1 單調(diào)加載分析模型

為研究結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的響應(yīng)[6]，利用midas Gen對方案一與方案二進(jìn)行靜力彈塑性分析[7]，對梁、柱及桁架單元進(jìn)行塑性鉸的定義，考慮幾何非線性的影響，采用位移控制的單調(diào)靜力加載模式，位移控制點(diǎn)均為屋蓋下弦正中部節(jié)點(diǎn)，將2.0恒載作為初始外加荷載，沿Z軸負(fù)方向由0逐漸加至-300 mm，由此得到方案一與方案二結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線，如圖11及圖12所示。

3.2 彈塑性分析結(jié)果

通過結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線可知，在荷載比較小時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段。隨著荷載的繼續(xù)增加，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與立體桁架結(jié)構(gòu)的豎向剛度逐漸降低，結(jié)構(gòu)屈服后，但承載力還在逐漸上升，達(dá)到最大承載力后，結(jié)構(gòu)逐漸失去承載能力。

3.2.1 承載力

通過多荷載-位移觀察，可以確定結(jié)構(gòu)屈服荷載值Fy與峰值荷載Fp，同時(shí)得到這些荷載相對應(yīng)的位移值Δy與Δp。方案一與方案二結(jié)構(gòu)各階段的荷載及對應(yīng)位移值如表1所示。對比結(jié)果可知，方案一結(jié)構(gòu)的承載力高于方案二結(jié)構(gòu)的承載力。

表1 結(jié)構(gòu)各階段的荷載及對應(yīng)位移值

3.2.2 結(jié)構(gòu)延性

結(jié)構(gòu)延性也可稱為位移延性，是整體塑性變形能力的體現(xiàn)。延性好的結(jié)構(gòu)，能夠充分利用材料的性能，韌性較好。結(jié)構(gòu)延性的好壞可以通過延性系數(shù)μ來表示，計(jì)算公式如下

μ=Δp/Δy

方案一與方案二結(jié)構(gòu)延性系數(shù)如表2所示。對比可知，方案一延性要優(yōu)于方案二，在豎向地震作用下，方案一的塑性變形能力較強(qiáng)，抗震性能比較好。

表2 延性系數(shù)

4 結(jié) 論

分析表明，該項(xiàng)目網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和立體桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均能滿足規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)梁、柱布置相同的情況下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度要優(yōu)于立體桁架，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量相對要高出10%左右，立體桁架上弦與下弦截面要大一些。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)作用優(yōu)于桁架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力更加均勻，受力更加合理。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的承載力高于桁架結(jié)構(gòu)的承載力。同時(shí)網(wǎng)架延性要優(yōu)于立體桁架，在高烈度地區(qū)或需要考慮豎向地震作用時(shí)，建議選用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，塑性變形能力和抗震性能要優(yōu)于立體桁架結(jié)構(gòu)。