厦门东海火炬科技s3#楼多曲面双层网壳结构受力分析

厦门东海火炬科技s3#楼多曲面双层网壳结构受力分析

1建筑总体特征厦门东海火炬园项目位于厦门市集美区和同安区交界处，靠近滨西大道。项目用地呈近半月牙形,其中S3#楼位于整个科技园区的核心位置。S3#楼建筑主体以厦门市花三角梅为喻意,整个建筑平面为近似“Y”形,形成三瓣花瓣展开的建筑形象,建筑效果图如图1所示。建筑地下两层,其中地下二层层高4.05m,地下一层层高4.45m,地上两层,首层层高为5.0m,二层为花瓣形空间钢结构,中部区域为采光天窗(图2)。S3#楼为大跨度空间结构,建筑的各个立面及屋顶由十几个连为一体的复杂空间曲面构成,结构形式为单层网壳。整个结构最大跨度达70m,且仅由三个角点支承,支承条件较差;结构在三个角点区域高度最高,约为15m,在中部区域高度较低,约为10m。此外,结构由15个空间曲面通过拼接、旋转得到,结构构件的空间关系非常复杂,建模分析和设计出图难度较大2建筑结构构件结构数据的提取本工程建筑采用三维建模工具RHINOCEROS来准确表达各个构件的精确位置,以实现既定的建筑效果。要得到结构分析模型数据和施工图出图数据,首先要通过RHINOCEROS软件对建筑模型进行处理,分别提取结构构件的分析计算数据及图纸表达数据。然后,通过自主编制自动化数据处理及数据传递程序(采用EXCEL和MATLAB等软件),对两类数据进行再加工。最后,将分析计算数据传递给选定的结构分析软件SAP2000和ANSYS,将图纸表达数据传递给选定的施工图出图软件MIDASBuilding。结构分析设计流程图如图3所示。3结构分析的建立3.1加载值3.1.1垂直过载本工程的竖向荷载主要为恒载和活载两种,恒载取值:铝板0.50kN/m3.1.2风负荷厦门为临海城市,风荷载较大,50年一遇的基本风压为0.8kN/m3.1.3设计速度及特征周期本工程抗震设防分类为丙类,抗震设防烈度为7度,基本地震加速度为0.15g,设计地震分组为第二组,Ⅱ类场地,特征周期为0.40s。采用振型分解反应谱法,沿X向、Y向分别计算水平地震作用,同时计算竖向地震作用。3.1.4钢结构合共享温度厦门月平均最高气温为35℃,月平均最低气温为5℃,月平均温差为30℃,拟定钢结构合拢温度为(20±5)℃,故结构最大升温工况为+20℃,结构最大降温工况为-20℃。3.2结构组成部分本工程结构构件均采用箱形截面,如表2所示。对于变截面构件,采用直径为900mm圆管近似模拟,参与整体计算。4多遇地震的计算本工程采用SAP2000进行整体结构受力计算,结构计算模型如图5所示。4.1自振周期和振型计算结果本工程选取前50阶振型,采用振型分解反应谱法进行结构地震效应分析,相应振型参与质量系数为0.91,结构前10阶自振周期和振型的计算结果如表3所示。可见,结构第1阶振型为竖向振动,由于结构为120°旋转对称结构,故第2~7阶振型均为平动。4.2结构挠度分析根据计算结果,分别核算结构在各类荷载作用下的水平和竖向位移,结果如图6~8所示。图6(a)为结构在恒载+活载作用下的挠度,跨中最大竖向变形为47mm,竖向挠度限值为l/400=50000/400=125mm>47mm,满足相关规范要求。图6(b)为结构在恒载+活载作用下采光窗区域的挠度,由于采光窗区域的刚度较小,故该区域变形较大,跨中最大竖向变形为61mm,竖向挠度限值为l/400=25500/400=64mm>61mm,满足相关规范要求。图7(a)为结构在恒载+升温作用下的挠度,跨中最大竖向变形为29mm,竖向挠度限值为l/400=50000/400=125mm>29mm,满足相关规范要求。图7(b)为结构在恒载+降温作用下的挠度,跨中最大竖向变形为77mm,竖向挠度限值为l/400=50000/400=125mm>77mm,满足相关规范要求。图8(a)为结构在0°方向角风荷载作用下的水平位移,跨中水平位移为6mm,水平位移容许值为l/500=50000/500=100mm>6mm,满足相关规范要求。图8(b)为结构在40°方向角风荷载作用下的水平位移,跨中水平位移为6mm,水平位移容许值为l/500=50000/500=100mm>6mm,满足相关规范要求。4.3圈起构件方面结构在各类荷载作用下的构件应力比如图9所示,其中圈起部分是应力比较大的构件。分析表明,大部分结构构件的应力处于较低水平,所有构件的应力比均小于0.8,采光窗区域和支座区域为构件应力比较大的两个区域。5构件应力比分析结果本工程主要采用拆除构件法进行防连续倒塌分析。根据上述分析,采光窗区域和支座区域为构件应力比较大的两个区域,因此分别拆除这两个区域内的关键构件(图10中圈起部分的构件),形成新结构。新结构的构件应力比的分析结果如图11所示。拆除采光窗区域关键构件后,其周围构件应力比明显增大,最大应力比为1.01(图11(a)中圈起位置),基本满足要求。拆除支座关键构件后,支座处传力路径发生改变,相邻支座反力增大,周围构件应力比明显增大,最大应力比为0.92((图11(b)圈起位置)),满足要求。由此可知,在拆除关键构件后,相邻构件的应力比有所增大,但未出现连续倒塌情况。6anasas结构模态分析结果本工程属于单层网壳,需进行整体稳定分析,采用ANSYS进行整体稳定分析。构件的材料强度为Q345,单元采用Beam188,屈服准则为vonMises屈服准则,强化准则为双线性等向强化。网壳结构的初始几何缺陷最大值为跨度的1/300,屈曲模态分析方法选择分块兰索斯法(BlockLanczos),分析工况为恒载+活载,屈曲荷载为6倍静力荷载。钢材本构关系如图12所示,ANSYS有限元分析模型如图13所示。经过计算,结构第1~7阶屈曲模态如图14所示。由于本工程为120°旋转对称的结构,故结构的第1~6阶屈曲模态均为水平变形,且变形情况也呈现出三个方向旋转对称的变化趋势,结构的第7阶屈曲模态为竖向变形。现对结构第1阶和第7阶屈曲模态进行非线性全过程跟踪分析,计算结果如图15所示。由图15结果可以看出,随着荷载的增大,控制点的位移显著增加,当结构达到极限状态时,第1阶屈曲模态极限承载力对应的荷载系数为5.57,第7阶屈曲模态极限承载力对应的荷载系数为5.60,均