东方艺术中心钢结构屋架结构抗震分析

东方艺术中心钢结构屋架结构抗震分析

1下部结构及钢结构在地震区域的大范围内，鉴于传播的扩展和结构形式的复杂性，不可避免地会给地震带来一些负面因素。但可喜的是,在以前诸多的地震中还未出现钢结构屋架整体垮塌的历史记录。究其原因主要是一般屋架仅用于支承屋面系统,屋面荷载及自重都比较轻,而且空间结构本身刚度较好,所以震害较小东方艺术中心屋盖的承重结构采用由正交钢结构桁架组成的空间结构体系。桁架上、下弦杆轴线间距为3.1m,外包高度3.5m,悬臂端部上、下弦杆轴线间距为1.2m。同下部结构一样,屋盖分成五个主要部分(一至五区),各分区间设置200mm宽的抗震缝,以满足声学、温度变形及抗震要求(图1、图2)。各部分桁架最大长度分别为49.1m、62.2m、81.0m、49.1m、80.0m,支座间最大跨度分别为18m×24.85m、30.8m×40m、54m×60.8m、18m×24.85m、34.1m×54m,最大悬挑长度分别为10m、13m、13m、10m、13m。钢桁架布置间隔一般为6m。中间部分钢结构由五区延伸并通过可滑动支座与其他四部分连接。为了提高整个屋架的侧向刚度,从而更加有效地传递水平荷载,根据结构的实际体型及跨度,在屋盖的中间部分设置了正交的支撑系统。三区处体量较大,经过计算,沿长跨设置了三道支撑。对于屋架不连续的五区则设置了兜通的支撑系统。屋架的高度在边缘收小,为了明确杆件在弱轴方向上的计算长度,在桁架变高度处的下弦间增加了系杆(图2)。整个屋架通过多种类型的支座支承在混凝土环板上。单向滑动支座及多向滑动支座采用抗震型球形钢支座。每部分除四处固定支座及单向滑动支座用于传递斜屋架的水平分力、地震力及风荷载产生的水平力外,其余采用多向滑动支座以消除温度应力的影响。2单模型和单全球模型的动态计算2.1维结构分析传统设计是利用钢结构反应谱对屋架本身进行结构内力分析。在本设计中,为了能更加真实地反映结构的实际情况,建立了包括支承屋架的下部主体结构及环板在内的三维结构单独整体模型及钢屋架单独模型(图3),自编程序生成接口数据文件,利用ANSYS软件进行三维空间结构计算分析。在计算模型中,空间桁架弦杆及腹杆采用柱单元(考虑六个自由度),混凝土结构采用壳单元,水平支撑采用只承受轴向拉力的索单元,并通过设置刚度极小但有重量的薄膜把屋面荷载传递到桁架的节点上。计算中假定所有桁架杆件为刚接,支撑与桁架连接为铰接。2.22.2.1单独结构模型的建立水平地震影响系数:竖向地震影响系数:反应谱的选用:(1)包括混凝土筒体、环板和屋架在内的单独整体结构模型考虑到混凝土结构对结构的特性起主导作用,所以采用上海地区混凝土结构地震反应谱曲线(根据DBJ08-31-92选用),分别考虑(2)单独模型钢结构反应谱(根据DBJ08-32-92选用)。2.2.2负荷组合形式未显示负荷分量系数，仅显示组合系数①②③④其中,2.32.3.1特征分析(1)从横向动力特征角度看,表现为第一、二元结构的振型,其又分以下三种表1为各区前10个自振周期,表2为对应振型统计表。图4为各区前3个振型形态图。振型大体分为4类:水平振型(纵向一、四区及二区的桁架跨度较小,支座间距分别为18m×24m、36m×46m,跨内桁架刚度较大,周期最短。悬臂长度相对较大,最大处分别为10m、13m,悬臂部分刚度相对跨中较小。因此,前两个振型主要表现为悬臂处的竖向振型。由于短向跨布置为单向滑动支座,且可滑动方向为横向,所以,第三振型表现为横向水平振型(可滑动方向)。三区桁架跨度大,支座间距为54m×62m,接近于大跨(60m)的振动特征。跨内桁架刚度较弱,荷载很大,自振周期最大。悬臂长度最大处为13m,刚度虽小,但大于跨内刚度。由于在短向也布置了单向滑动支座,因此,第一振型为横向水平振型(可滑动方向)。一般振型还是以竖向振型为主,高阶振型伴随有扭转效应产生,在第五振型出现了纵向水平振型。五区的固定支座设置在位于整个屋盖中间偏上的舞台周围的剪力墙上。同三区一样,单向滑动支座的设置使第一振型为横向水平振型。一般振型还是以竖向振型为主,高阶振型伴随有扭转效应产生。空间桁架结构的周期相当密集,通过分析,高振型的贡献主要体现在固定支座附近桁架的腹杆及某些弦杆上(主要由竖向振型提供),因此,在动力分析时需要足够的振型数以满足精度的要求。以三区为例,在横向地震力作用下,由于受到短跨横向弦杆的约束,轴力最大值出现在纵向桁架的跨中的弦杆上,腹杆出现在固定支座附近。由于第一振型为横向振型,因此当振型数竖向振型在前10个振型中占了70%或更多。在地面运动的竖向分量的作用下,与结构的竖向振型对应的地震作用大。因此,对竖向振型就应给予特别注意竖向地震力作用下,上弦最大轴力出现在跨中,腹杆出现在短跨支座附近,下弦最大轴力出现在固定支座附近,其竖向地震内力系数达22%。因此,尽管是7度地震设防区,部分杆件的竖向地震内力系数还是很高。竖向地震作用不能忽略。一~五区桁架的最大悬挑长度为10~13m,等效简支计算跨度为20~26m,远小于60m(《网架结构设计与施工规程》(JGJ7—91)中跨度在60m以上称为大跨度结构)。但是,由于其约束较少,导致各竖向振型被激发出来。从竖向振型分析可知,悬臂处占了大部分。因此,长悬臂处的桁架振动特性应特别注意。(2)不同下部结构的振动分析表4为单独整体模型各区前10个自振周期,表5为对应振型统计表。单独整体模型的振型及周期与单独模型相差很大。振型基本由下部结构及钢屋架共同组成,且下部结构的贡献更大。因此运用单独整体模型的计算方法更合理。在考虑下部结构刚度的情况下,结构的周期普遍增大,第一振型均为横向水平振型或加竖向振型,主要体现了下部结构的动力特性。一区下部结构较柔,单独模型与单独整体模型的振型相差最大,出现了刚体的平移,且单独整体模型出现了一些扭转振型。二区、五区下部结构刚度较大,周期变化相对最小。二区第一及第六振型以横向水平振型为主,这与屋架的约束方式及下部剪力墙的布置方向相符,竖向振型主要发生在悬臂部分。五区第一振型为横向水平振型,第二振型为纵向水平振型,第三振型为扭转振型,主要体现了下部结构的动力特性,竖向振型主要发生在悬臂部分及与之相对应的跨间部分的桁架竖向振动时。三区下部结构的刚度较为均匀,第一、四、五振型均表现为横向水平振型,第二、六、十振型表现为纵向水平振型,第七、八振型表现为扭转振型,竖向振型主要发生在悬臂部分及与之相对应的跨间部分的桁架竖向振动时。振动方式与约束形式有密切关系。考虑到下部结构侧移时水平振型均出现在低频阶段(其原因在于振动时各约束点的振幅不同,而桁架网格又易变形)。低频段振型的贡献是地震内力组合中的主要部分,因此,分析水平地震内力时必须考虑下部结构的刚度,它将极大地影响空间桁架的水平地震内力。单独整体模型的整体空间工作特性明显,下部结构的抗侧刚度对计算结果影响较大,刚度取值要符合实际情况,否则,计算结果的误差会较大。图5、6为支承结构刚度不同时,在通过分析,高振型的贡献主要体现在桁架支座边缘附近的腹杆及某些弦杆上(主要由竖向地震力引起),因此,在做动力分析时需要考虑更多的振型数(本工程选取30个振型),以满足精度的要求。单独整体模型的上下弦竖向地震内力分布规律与单独模型大体相同,弦杆在支座附近杆件内力最大,向自由端逐渐减小。腹杆竖向地震内力为支座附近大,向远处逐渐减小。2.3.2屋顶结构的地震荷载以三个钢框架结构的屋盖杆件的最大轴力(1)单模型单独模型主要体现竖向地震性质,空间桁架的上下弦杆在(2)单全球模型单独整体模型主要体现下部结构水平动力特性。上下弦杆内力分布在2.3.3水平支撑的设置因为空间桁架上、下弦杆的节点上都承受载荷,所以上、下弦杆上都存在水平地震力的传递,从而需同时在上下弦平面内设置水平支撑。结合支座的滑动方向,将水平支撑设置在跨中以减少地震荷载下的水平位移。从表7中可知跨中水平支撑体系的设置对于提高钢桁架的水平刚度是很有效的。2.3.4主要振型中多因素从表8比较可知:单独整体模型的水平地震力明显大于单独模型。这个结果与振型分析的结果是一致的。单独整体模型的平动成份多,而且均出现在前几个主要振型中。单独模型则竖向成分参与多些。由于屋架位于高处,下部支承结构会产生惯性效应,如果在设计中仅用单独模型计算,会过小的考虑水平地震力,从而使支座的设计偏不安全。因此,空间桁架的水平抗震验算应该选用整体模型,而且下部结构体系模拟的真实性将直接影响到计算精度。3在这五个区域的全球模型中3.1模型、荷载不同五个区整体计算模型见图7。其中各区模型、荷载不变。中间区域:一、四区屋架通过滑动支座支承于五区屋架上,五区通过滑动支座支承于二、三区屋架上。3.2结构振动的独立性分析表9为整体模型各振型、周期与单独整体模型对应关系。从结果中可知两者非常接近。从振型分析中可知:整体模型的第一振型与三区的单独整体模型的第一振型完全相同,第三振型与一区单独整体模型的第一振型完全相同。由于结构采用了分缝方式,中央连接区域也设计了多向滑动支座,使得五个区域结构振动的相互影响不大,即表现了相当的独立性。因此,各区使用自身的单独整体模型分别来进行抗震分析,其结果是可靠的。3.3竖向位移最大的土壤压力在水平地震力作用下,荷载最大、刚度最弱的三区水平位移最大,而竖向位移最大值则出现在五区悬臂端。表10为在水平地震力作用下,三区桁架单独整体模型及整体模型位移最大值对比,从结果对比可知单独整体模型计算结果偏安全。3.4计算结果安全性分析表11为水平地震力作用下单向滑动及固定支座最大剪力的比较结果。单独整体模型的地震力计算结果要比整体模型大。究其原因是单独整体模型中的振型参与数较多。因此,采用单独整体模型计算结果安全性更大些。在水平地震力作用下,荷载最大、刚度最弱的三区杆件内力最大,最大杆件内力出现的部位两种模型情况相同。表12为在水平地震力作用下,三区桁架单独整体模型及整体模型杆件内力计算值对比,从结果对比可知单独整体模型计算结果偏安全。4单独整体模型与单独模型的比较本工程虽在7度抗震设防区,但屋架的荷载作用较大,且屋架的框架具有大跨、长悬臂、支座较特殊的特点,设计时应进行竖向、水平地震的抗震验算。(1)空间双向正交钢结构桁架周期相当密集。在做动力分析时需要考虑更多的振型数以满足精度的要求(本工程取30个振型)。(2)空间双向正交钢结构桁架的振型大体分为四类:水平振型,竖向振型,扭转振型及局部振型。对于单独模型,竖向振型在前10个振型中占了70%,且主要由悬臂振动引起,所以,尽管是7度抗震设防区,设计时还是考虑将竖向地震作用参与组合。单独模型水平振型主要与单向滑动支座的滑动方向、布置位置有关,与一般四边支承的网架振动特性有较大区别。单独整体模型的周期及振型与单独模型相差较大。振型由下部结构、钢屋架及其支座约束方式共同决定,且下部结构的贡献更大。整体模型的周期和振型与单独整体模型几乎一致,各区间的耦合影响很小。因此采用单独整体模型作为计算依据更为合理、安全。(3)由于单独整体模型的空间工作特性明显,下部结构的抗侧刚度及其质量产生的惯性效应对计算结果影响较大,所以刚度取值要符合实际情况,质量的施加位置要合理。否则,计算结果的误差会较大。(4)单独整体模型的