天津国家会展中心展厅屋盖结构设计分析

1、天津国家会展中心展厅屋盖结构设计分析天津国家会展中心复杂连接节点分析研究汇报人：张强2014.11.1项目简介结构体系结构分析条件结构分析节点分析结论1.项目简介 天津国家会展中心建于海河中游，项目北临海河，南至连接市区和滨海新区的天津大道。会展一期工程的展会区钢结构面积达到34万平方米，主要包括了16个大型展厅、1个中央入口大厅及贯通会展中心的交通廊1.项目简介1.项目简介屋盖结构平面尺寸为186.36mX159.7m每个展厅可提供超过1万平米的超大展览面积，地面荷载可达5-8吨，能够满足超重超大重型展品的展示要求。2.结构体系展厅屋盖结构采用九榀四弦凹型桁架大跨钢结构，每榀桁架跨度布置均为

2、“悬挑6m+84m+6m+84m+悬挑6m”，屋面结构高度23.28m。2.结构体系桁架上下弦采用直径600mm圆管截面；弦杆间采用间距6米布置的凹型梁进行横向连接，凹型梁采用焊接H型变截面，翼缘宽360mm、下部高1400mm、上部高600mm。各榀桁架间距18米，采用屋面梁相连接，并布置屋面交叉拉杆以加强结构整体性。2.结构体系桁架支撑柱采用人字形柱，人字形柱两柱肢为650mmX900mm 1400mmX900mm薄壁箱形变截面。人字形柱为桁架提供较强的垂直桁架方向刚度，顺桁架方向支撑结构为4排人字柱。根据计算，人字柱在顺桁架方向均应为刚性连接柱脚，同时在跨中2柱布置不落地的交叉撑才能保证

3、结构刚度。2.结构体系由于建筑效果需要，人字形柱柱肢需做出铰轴效果，因此柱脚采用面内铰接面外刚接的连接形式。柱顶与其上部凹型桁架的连接也有建筑效果要求，设计中采用了如图所示的节点连接形式。3.结构分析条件本工程设计使用年限为50年，安全等级为一级。屋面为轻质屋面做法，恒载取值1.0kN/ m2；活荷载按不上人屋面取值0.5kN/m；考虑室内附加吊挂荷载0.5kN/m；风荷载按100年重现期取基本风压0.6kN/m，同时还考虑了屋面风机自重、温度作用30和地震作用7度0.15g。在进行地震作用计算时，考虑规范反应谱，同时采用该项目安评报告的反应谱，并按照天津当地常规做法根据覆盖土层厚度与剪切波速

4、对特征周期进行取值。考虑到建筑的重要性，建筑抗震设防类别调整为乙类，所有构件在多遇地震下均保持弹性受力状态，设防地震下重要构件按中震不屈服进行设计。4.结构分析动力特性第1阶（X向平动，周期1.25s）第2阶（扭转，周期1.02s）第3阶（竖向振动周期0.81s）4.结构分析凹形桁架斜腹杆稳定分析上下翼缘宽度均为360mm，截面高度为变量。斜腹杆上部截面高800mm，下部截面高1200mm，腹板厚12mm，翼缘厚16mm。由于腹板较薄，设计中在斜腹杆中设计了纵向加劲肋，以保证腹板的稳定性。 4.结构分析凹形桁架斜腹杆稳定分析不设置加劲肋时的屈曲分析设置加劲肋后的屈曲分析4.结构分析凹形桁架斜腹

5、杆稳定分析极限荷载下的变形图（mm）极限荷载下的应力图（MPa）V形桁架斜腹杆在设计荷载下的双非线性分析4.结构分析整体模型中对复杂节点的特殊考虑根据建筑要求，两柱肢顶部采用一块顶板相连，桁架下弦杆穿过凹型梁腹板，凹型梁采用纵横向加劲板及局部加劲板，柱顶与凹型梁间采用纵横向钢板组成的箱形截面相连接。凹型梁下部为薄壁H型截面，高1400mm，宽360mm，面外刚度及抗扭刚度较弱，可初步判断该节点为半刚性连接。若仅采用普通梁单元进行模拟，节点刚度由梁单元的抗扭提供，由于H型钢抗扭刚度很小，该处连接刚度接近铰接；若采用刚性单元，则节点的受力与柱、桁架弦杆刚接，连接刚度偏大。4.结构分析整体模型中对复

6、杂节点的特殊考虑结构整体模型中进行了实际的建模，以反映该节点的实际刚度，本文将该方法称为“节点原位实体法”。4.结构分析整体模型中对复杂节点的特殊考虑4.结构分析整体模型中对复杂节点的特殊考虑选择节点区附近及跨中的点进行内力、变形的比较。得到如下结论： （1）三种方法对节点区的模拟对结构整体效应影响较小，如周期、变形； （2）三种方法对节点区的模拟对离节点较远位置处的构件计算结果影响较小，如图12中点B、D、F、G； （3）三种方法对节点区的模拟对节点附近的局部构件计算结果影响较大，如点C、E处的轴力与弯矩，直接影响到了该区域的构件应力状态； （4）综合分析看来，该节点连接为半刚性连接，但采用

7、普通梁单元方法进行模拟的整体计算结果与采用节点原位实体法的计算结果更为接近，但节点区计算分析应采用节点原位实体法的分析结果。5.节点分析A类人字柱柱顶节点5.节点分析A类人字柱柱顶节点5.节点分析A类人字柱柱顶节点 在1.0倍设计荷载下，板件最大应力约220Mpa。 为研究节点的极限承载力，对节点进行了1.6倍设计荷载（约2倍标准荷载）下的节点分析。分析表明节点在1.6倍设计荷载下，节点区局部进入塑性，但节点仍保持了较好的承载能力，节点承载能力冗余度较高。最大应力点位于凹型梁腹板与下弦杆相接处。5.节点分析A类人字柱柱顶节点ANSYS分析结果与SAP2000中节点原位实体法的对比。5.节点分析

8、B类人字柱柱顶节点5.节点分析B类人字柱柱顶节点5.节点分析A类人字柱柱脚铰轴节点直径450mm铰轴采用铸钢材料G20Mn5QT直径160mm销轴采用40Cr材料其它板件为Q345B钢材。 最不利工况下的节点受力为：轴力4093kN，面外弯矩1457kN.m。5.节点分析A类人字柱柱脚铰轴节点节点整体受力良好销轴最大局部应力202MPa5.节点分析A类人字柱柱脚铰轴节点1倍设计荷载下，铸钢孔壁受局部压力，部分材料进行塑性。3倍设计荷载作用下，铸钢铰轴边缘及支座外侧板件有较大区域进入塑性，但节点仍具有一定的承载能力。1倍设计荷载下的应力分布3倍设计荷载下的应力分布5.节点分析中央入口大厅节点中央

9、入口大厅是十字型钢柱支撑的大跨树状钢结构，由32个树状结构形成，屋面总平面尺寸141.3mX285.3m。树状结构高32.8m，顶面边长约30m，柱距36m、39m。树状柱单元采用各种斜撑形成了稳定的结构体系，整个树状柱的薄弱环节出现在柱顶与树冠连接处，有必要对该连接位置进行有限元分析，以保证其安全性。5.节点分析中央入口大厅节点15.节点分析中央入口大厅节点11倍设计荷载下的应力分布图 节点最大应力为215.7MPa，最大内力出现在下部分叉与树状十字柱的交汇处。1.0倍节点控制内力作用于节点时，节点全部处于弹性工作状态。5.节点分析中央入口大厅节点11.6倍设计荷载下的应力分布图 在1.6倍

10、节点控制内力作用下，节点最大应力为321.864MPa，位于分支下部翼缘与十字柱壁板的交线位置。在1.6倍节点控制内力作用于下，节点区仍完全处于弹性工作状态。5.节点分析中央入口大厅节点11.0倍设计荷载下的应力分布图 节点最大应力为298MPa，最大应力出现在下部分叉与上部角分杈的交汇处，最大应力出现于局部应力集中区域。1倍节点控制内力作用于节点时，节点全部处于弹性工作状态。5.节点分析中央入口大厅节点11.6倍设计荷载下的应力分布图 1.6倍设计荷载下，节点最大应力350MPa，最大应力位置与1.0倍荷载时的应力集中点位置相同，在该节点的其余位置受力均处于弹性状态。5.结论为节约造价，结构设计中大量采用了宽厚比较大的薄壁截面。该项目中，依据钢结构设计规范及有限元分析结果，对薄壁构件进行了加劲肋的设计，使构件的局部稳定晚于整体稳定出现，保证构件可以全面参与结构受力，保证结构分析的正确性，该项目中，柱顶复杂节点区的节点原位实体法模拟，对整体结构计算影响较小，但对节点区附近杆件的受力影响较大；采用该方法对节点区进行模拟，可以得到较为准确的节点区受力情况，以便更准确地进行后续的