将台花园单层网壳屋面整体结构计算报告

第一部分结构计算说明1.工程概况北京将台商务中心主要包括酒店、办公楼、商场及冬季花园。如图1.1.1所示。冬季花园屋面投影面积约六千平米，由冬季花园单层网壳玻璃屋面和东立面竖向单索玻璃幕墙两部分组合而成。北立面及西立面为普通框式幕墙和铝板包饰带。冬季花园屋面钢结构为单层网壳结构，大致呈三角形。图1.1.1冬季花花园效果图受晶艺玻璃工程有限公司委托，我研究室复核了冬季花园整体结构在各种荷载工况作用下的变形及承载能力，包括屋面网壳变形、立面幕墙变形、柱顶侧移以及杆件应力、拉索和拉杆强度等，并复核了结构的整体稳定性能。2.复核依据2.1业主提供的资料1）将台商务中心冬季花园SAP2000计算模型及计算书（11月15日）2）将台商务中心冬季花园钢结构施工图（7月7日）2.2国家现行规范1）建筑抗震设计规范GB50011——20012）钢结构设计规范GB50017——20033）网壳结构技术规程JGJ61——20034）玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-20033.计算说明3.1有限元计算程序ANSYS11.03.2有限元模型网壳杆件及钢柱采用Beam189单元，拉索采用Link10单元，幕墙采用Surf154单元（不考虑玻璃刚度）。为了考虑某些节点处的自由度释放，采用了Beam44单元。有限元模型如下图所示。与含有排水沟的主梁段相连接的次梁节点采用自由度耦合实现铰接连接。存在自由度释放的杆件有：CG114释放与索连接端的M2、M3；DG76上端释放三向弯矩，下端释放M2、M3；正立面右侧三根新钢柱柱顶释放M2、M3；与主梁水沟段连接的次梁，端部释放M3。（SAP中M3为强轴弯矩，M2为弱轴弯矩，T为扭矩）。同时，根据中巍公司提供的混凝土墙的刚度，在部分支座处设置弹簧，弹簧采用COMBIN14单元，具体支座情况见表1.3.1。表1.3.1结构构支座情况位置水平方向约束垂直方向约束西立面弹簧刚度2.211×104kN/m弹簧刚度92.776×104kN/m北立面—1弹簧刚度1.266×104kN/m弹簧刚度51.118×104kN/m北立面—2弹簧刚度0.755×104kN/m弹簧刚度31.993×104kN/m三层Φ28拉索支支座弹簧刚度4.355×104kN/m弹簧刚度165..0×104kN/m二层Φ40拉索支支座弹簧刚度13.994×104kN/m弹簧刚度3.600×104kN/m一层Φ40拉索支支座约束水平平动位移移弹簧刚度3.600×104kN/m一层Φ80拉索及及钢柱支座约束水平平动位移移约束竖向平动位移移图1.3.1~1.3.4给出了结构的有限元模型图。图1.3.1结构构整体模型图1.3.2壳体体杆件及柱单单元图1.3.3结构构单线模型图1.3.4主梁梁（拱）单元元3.3模型说明模型参考提供的最新SAP模型，在此进行如下说明：1）与上一版模型相比，增大了部分拉索的预应力。2）西立面钢柱增加了部分斜撑，结构支座情况有所变动。3）SAP模型中，与主梁水沟段连接的次梁端部释放主轴弯矩。ANSYS在此处通过耦合三方向平动位移实现连接，相当于释放三向弯矩。4.复核内容主要包括以下三部分：1）整体静力分析2）非线性整体稳定性分析3）优化建议第二部分结构的静力性能1.计算工况选取以下工况进行计算。表2.1.1计算算工况工况DLLLWC+WC-WR+WR-SDTD+TD-TEMPTEMP1DL11正常使用极限状态态FC111110.83FC211110.83FC311110.83FC411110.83FC51110.83FC61110.83FC1110.6111FC1210.6111FC1310.6111FC1410.6111FC15110.60.61FC16110.60.61FC17110.60.61FC18110.60.61FC19110.61FC20110.61FC21110.601FC22110.61承载能力极限状态态SC21.21.41.41.21.2SC61.351.41.40.981.21.2SC71.351.41.40.981.21.2SC33-11.20.981.41.40.71SC34-11.20.981.41.40.71SC35-11.20.981.41.40.712.壳体结构变形分析冬季花园屋面钢结构为单层网壳结构，大致呈三角形。屋面最大柱间跨度68.37m，网壳最大跨度约为74.6m，竖向拉索最大长度为22.7m。表2.1.2为结构在各种工况作用下的最大变形情况。表2.1.2结构构最大变形荷载工况结构最大变形出现部位壳体最大变形拱序号TEMP50.61屋面网壳50.614DL159.42屋面网壳159.427DL+LL191.79屋面网壳191.797DL+SD202.12屋面网壳202.127FC1361.86立面幕墙162.367FC2379.71立面幕墙172.967FC3378.39立面幕墙68.646FC4383.40立面幕墙79.727FC5182.49屋面网壳182.497FC6192.83屋面网壳192.837FC11338.08立面幕墙192.437FC12347.98立面幕墙202.287FC13353.36立面幕墙97.566FC14350.23立面幕墙107.456FC15211.47立面幕墙201.147FC16228.03立面幕墙207.027FC17216.92立面幕墙143.107FC18228.36立面幕墙148.997FC19190.05屋面网壳190.057FC20193.56屋面网壳193.567FC21200.26屋面网壳200.267FC22204.73屋面网壳204.7372.1屋面网壳最大变形由于在不同工况作用下屋面网壳最大变形处位置不同，因此对应的跨度有所不同，根据《网壳结构技术规程》，网壳结构的最大位移计算值不应超过短向跨度的1/400。在此结构中，认为与最大变形处相距最近的拱跨度为其短向跨度。将网壳在各种工况作用下的最大变形与变形控制比较列表如表2.1.3所示。表2.1.3屋面面网壳最大变变形及超标情情况工况最大变形/mm拱序号跨度/m变形控制/mm是否满足要求变形超标变形/跨度TEMP50.61468.37170.925是1/1158DL159.42735.8789.675否77.8%1/225DL+LL191.79735.8789.675否113.9%1/187DL+SD202.12735.8789.675否125.4%1/177FC1162.36735.8789.675否81.7%1/221FC2172.96735.8789.675否92.9%1/208FC368.64652.34130.85是1/763FC479.72735.8789.675是1/450FC5182.49735.8789.675否103.5%1/197FC6192.83735.8789.675否115.0%1/186FC11192.43735.8789.675否114.6%1/186FC12202.28735.8789.675否125.6%1/178FC1397.56652.34130.85是1/534FC14107.45652.34130.85是1/487FC15201.14735.8789.675否124.3%1/178FC16207.02735.8789.675否130.9%1/173FC17143.10735.8789.675否59.6%1/251FC18148.99735.8789.675否66.1%1/241FC19190.05735.8789.675否111.9%1/189FC20193.56735.8789.675否115.8%1/185FC21200.26735.8789.675否123.3%1/179FC22204.73735.8789.675否128.3%1/175可见屋面网壳结构的变形部分超标，FC16作用下最大超标130.9%，变形与跨度比值最大为1/173。由表2.1.3可以计算得到：恒载作用下屋面网壳结构的最大变形为159.42/35870=1/225；活载作用下屋面网壳结构的最大变形为191.79-159.42=32.37mm，与跨度的比值为32.37/35870=1/1108；雪载作用下屋面网壳结构的最大变形为202.12-159.42=42.70mm，与跨度的比值为42.7/35870=1/840。由以上可见，在组合工况中，恒荷载作用下的变形占了整个变形的大部分，恒载作用下结构的变形与跨度比值为1/225，不满足要求，这可以通过预起拱方法解决。活载作用下结构的变形与跨度比值为1/1108，满足要求，雪荷载作用下结构与跨度的比值为1/840，满足要求。2.2立面幕墙最大变形按照规范幕墙的变形控制为：拉索最大长度22.7m，fmax=22700/55=412.72mm。计算所得幕墙最大变形为FC4工况作用下，大小为386.40mm。可见幕墙变形满足要求。2.3典型荷载与标准值组合工况下的变形云图1）预应力TEMP图2.2.1预应力作用下结构变形云图2）恒载DL+TEMP图2.2.2恒载（DL+TEMP）作用下结构变形云图3）恒载+活载图2.2.31.0恒载+1.0活载作用下结构变形云图4）恒载+雪载图2.2.41.0恒载+1.0雪载作用下结构变形云图5）工况FC1图2.2.5FC1作用下结构变形云图6）工况FC2图2.2.6FC2作用下结构变形云图7）工况FC3图2.2.7FC3作用下结构变形云图8）工况FC4图2.2.8FC4作用下结构变形云图9）工况FC5图2.2.9FC5作用下结构变形云图10）工况FC6图2.2.10FC6作用下结构变形云图11）工况FC11图2.2.11FC11作用下结构变形云图12）工况FC12图2.2.12FC12作用下结构变形云图13）工况FC13图2.2.13FC13作用下结构变形云图14）工况FC14图2.2.14FC14作用下结构变形云图15）工况FC15图2.2.15FC15作用下结构变形云图16）工况FC16图2.2.16FC16作用下结构变形云图17）工况FC17图2.2.17FC17作用下结构变形云图18）工况FC18图2.2.18FC18作用下结构变形云图19）工况FC19图2.2.19FC19作用下结构变形云图20）工况FC20图2.2.20FC20作用下结构变形云图21）工况FC21图2.2.21FC21作用下结构变形云图22）工况FC22图2.2.22FC22作用下结构变形云图3.柱顶变形结果校核比较了增加斜撑后柱顶的变形情况。根据前面计算结果，较为不利的情况有FC1、FC2、FC12、FC20四种工况。因而针对这四种工况进行柱顶侧移分析。表2.3.1柱顶侧侧移最大值（mm）工况柱顶节点UXUYUZ水平位移f柱高HΔ/H备注FC21811.01-11.090.3015.625031.01/322西立面钢柱FC120-3.31-11.441.4213.254715.01/356西立面钢柱FC122-8.05-10.200.8212.994331.01/333西立面钢柱FC122419.846.81-1.4020.984252.01/203西立面钢柱FC122625.5513.71-0.4929.004047.01/140西立面钢柱FC202822.4729.74-1.2737.283648.01/98西立面钢柱FC203024.8537.36-1.4844.874067.01/91西立面钢柱FC132-13.19-8.121.0215.484019.01/260西立面钢柱FC134-15.95-4.680.3616.633904.01/235西立面钢柱FC136-18.52-0.961.0818.544027.01/217西立面钢柱FC138-18.863.020.7019.104372.01/229西立面钢柱FC1546-18.337.051.2719.644932.01/251西立面钢柱FC20149925.9141.37-1.8848.812879.01/59西立面钢柱FC12246.1226.49-6.6153.1922661.41/426正面钢柱FC12450.4125.41-7.6156.4522399.01/397正面钢柱FC12653.9626.46-6.8460.1021709.61/361正面钢柱FC2863.6113.621.3865.0520695.41/318正面钢柱FC21066.1018.811.5268.7319705.61/287正面钢柱FC21260.6922.531.5464.7419262.71/298正面钢柱FC21447.3322.502.4952.4019791.51/378正面钢柱FC21634.2419.802.7939.5521602.31/546正面钢柱FC2133527.2618.734.9233.0823434.51/708正面钢柱FC2149214.0315.190.3220.687720.01/373新增钢柱FC214947.4019.082.1620.468220.41/402新增钢柱FC214961.9318.041.2518.148609.41/475新增钢柱FC2123212.5418.440.0122.301727.01/77新增钢柱柱顶侧移最大节点为1499，为柱高的1/59，对应钢柱为西立面角柱4586。4.静力性能强度分析4.1杆件最大应力表2.4.1给出了梁柱单元在各种工况作用下最大应力值。表2.4.1杆件最最大应力值（MPa）工况Q235Q345LG75最大应力屈服强度是否超标最大应力屈服强度是否超标最大应力屈服强度是否超标SC2106235未超标391345超标388414未超标SC6114235未超标458345超标427414超标SC796.8235未超标434345超标405414未超标SC33-1104235未超标388345超标364414未超标SC34-1152235未超标407345超标379414未超标SC35-176.6235未超标286345未超标336414未超标由上表可见，Q345钢及部分拉杆有部分屈服，Q235钢保持在弹性范围以内。应力超标拉杆与角柱相连，见图2.4.1。屋面网壳杆件（Q345）应力超标区域主要发生在第一榀主梁与次梁铰接的节点处及第七榀主梁与次梁交接的部分节点处。以工况SC6及SC7为例，见图2.4.2。图2.4.1拉杆杆应力超标示示意图(a)工况SCC6(b)工况SCC7图2.4..2Q3345应力超标示示意图（Pa）4.2拉索最大拉力表2.4.2给出了三种型号的拉索在各种工况作用下最大拉力值，可见拉索拉力均满足设计要求。表2.4.2拉索拉拉力最大值（kN）工况LS28LS40LS80最大拉力设计承载力是否超标最大拉力设计承载力是否超标最大拉力设计承载力是否超标SC2352.13438未超标821.89921未超标14403873未超标SC6351.64438未超标843.90921未超标12403873未超标SC7358.26438未超标835.74921未超标13503873未超标SC33-1384.44438未超标797.94921未超标14203873未超标SC34-1379.26438未超标786.33921未超标13003873未超标SC35-1391.15438未超标772.71921未超标18203873未超标4.3Φ40拉索内力图图2.4.1~图2.4.6给出了Φ40拉索在各种工况作用下的内力图。图2.4.1SCC2作用下Φ40内力图图2.4.2SCC6作用下Φ40内力图图2.4.3SCC7作用下Φ40内力图图2.4.4SCC33-1作用下Φ40内力图图2.4.5SCC34-1作用下Φ40内力图图2.4.6SCC35-1作用下Φ40内力图第三部分结构的的整体稳定分分析1.计算工况《网壳结构技术规规程规定》规规定，球面网网壳的全过程程分析可按满满跨均布荷载载进行，圆柱柱面网壳和椭椭圆抛物面网网壳宜补充考考虑半跨活荷荷载分布。并并在条文说明明中指出，网网壳稳定承载载力以“恒载+活载”来衡量；对对椭圆抛物面面和两端支撑撑的圆柱面网网壳，应在计计算中考虑活活载的半跨分分布对网壳稳稳定性承载力力的影响。根据上述规范规定定，结合本工工程实际情况况，考虑以下下四种加载方方式进行全过过程分析，来来考察结构的的稳定承载力力：NS1——初始状状态1.0预应力力；加载至10*（1.0恒载+1.0活载）NS2——初始状状态1.0预应力；加加载至10*（1.0恒载+1.0雪载）NS3——初始状状态1.0预应力；加加载至10*（1.0恒载+1.0半跨活载）NS4——初始状状态1.0预应力；加加载至10*（1.0恒载+1.0半跨雪载）其中，为考虑最不不利情况，半半跨活荷载施施加在结构的的下凹区域，如如图3.1..1红色部分分所示。图3.1.1结构半半跨荷载施加加区域示意图图2.特征值屈曲结构在四种工况作作用下的第一一阶特征值屈屈曲系数见表表3.2.11。第一阶特征值值屈曲模态如如图3.2.11~3.2..4所示。表3.2.1结构第第一阶特征值值屈曲系数工况NS1NS2NS3NS4系数8.74508.59599.22378.8828图3.2.1结构第一一阶特征值屈屈曲模态（NS1）图3.2.2结构第第一阶特征值值屈曲模态（NS2）图3.2.3结构第第一阶特征值值屈曲模态（NS3）图3.2.4结构第第一阶特征值值屈曲模态（NS4）3.全过程分析计算时考虑几何非非线性，材料料保持为线弹弹性，初始几何缺缺陷为第一阶阶屈曲模态，缺陷最大值值为746000/3000=248..7mm。3.1加载方式式NS1结构的荷载位移曲曲线如图3.3.1所示示，结构的整整体稳定系数数为4.9112。横坐标为网网壳变形最大大节点的竖向向位移，纵坐坐标为荷载系系数。结构屈曲点变形图图如图3.3.2所示示。图3.3.1NS11荷载位移曲曲线图3.3.2屈曲曲点结构的变变形云图3.2加载方式式NS2结构的荷载位移曲曲线如图3..3.3所示示，结构的整整体稳定系数数为5.235。结构屈曲点变形图图如图3.3.4所示。图3.3.3