天津國(guó)家會(huì)展中心展廳屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、天津國(guó)家會(huì)展中心展廳屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析天津國(guó)家會(huì)展中心復(fù)雜連接節(jié)點(diǎn)分析研究匯報(bào)人：張強(qiáng)2014.11.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)分析條件結(jié)構(gòu)分析節(jié)點(diǎn)分析結(jié)論1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介 天津國(guó)家會(huì)展中心建于海河中游，項(xiàng)目北臨海河，南至連接市區(qū)和濱海新區(qū)的天津大道。會(huì)展一期工程的展會(huì)區(qū)鋼結(jié)構(gòu)面積達(dá)到34萬平方米，主要包括了16個(gè)大型展廳、1個(gè)中央入口大廳及貫通會(huì)展中心的交通廊1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介屋蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸為186.36mX159.7m每個(gè)展廳可提供超過1萬平米的超大展覽面積，地面荷載可達(dá)5-8噸，能夠滿足超重超大重型展品的展示要求。2.結(jié)構(gòu)體系展廳屋蓋結(jié)構(gòu)采用九榀四弦凹型桁架大跨鋼結(jié)構(gòu)，每榀桁架跨度布置均為

2、“懸挑6m+84m+6m+84m+懸挑6m”，屋面結(jié)構(gòu)高度23.28m。2.結(jié)構(gòu)體系桁架上下弦采用直徑600mm圓管截面；弦桿間采用間距6米布置的凹型梁進(jìn)行橫向連接，凹型梁采用焊接H型變截面，翼緣寬360mm、下部高1400mm、上部高600mm。各榀桁架間距18米，采用屋面梁相連接，并布置屋面交叉拉桿以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。2.結(jié)構(gòu)體系桁架支撐柱采用人字形柱，人字形柱兩柱肢為650mmX900mm 1400mmX900mm薄壁箱形變截面。人字形柱為桁架提供較強(qiáng)的垂直桁架方向剛度，順桁架方向支撐結(jié)構(gòu)為4排人字柱。根據(jù)計(jì)算，人字柱在順桁架方向均應(yīng)為剛性連接柱腳，同時(shí)在跨中2柱布置不落地的交叉撐才能保證

3、結(jié)構(gòu)剛度。2.結(jié)構(gòu)體系由于建筑效果需要，人字形柱柱肢需做出鉸軸效果，因此柱腳采用面內(nèi)鉸接面外剛接的連接形式。柱頂與其上部凹型桁架的連接也有建筑效果要求，設(shè)計(jì)中采用了如圖所示的節(jié)點(diǎn)連接形式。3.結(jié)構(gòu)分析條件本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為一級(jí)。屋面為輕質(zhì)屋面做法，恒載取值1.0kN/ m2；活荷載按不上人屋面取值0.5kN/m；考慮室內(nèi)附加吊掛荷載0.5kN/m；風(fēng)荷載按100年重現(xiàn)期取基本風(fēng)壓0.6kN/m，同時(shí)還考慮了屋面風(fēng)機(jī)自重、溫度作用30和地震作用7度0.15g。在進(jìn)行地震作用計(jì)算時(shí)，考慮規(guī)范反應(yīng)譜，同時(shí)采用該項(xiàng)目安評(píng)報(bào)告的反應(yīng)譜，并按照天津當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)做法根據(jù)覆蓋土層厚度與剪切波速

4、對(duì)特征周期進(jìn)行取值?？紤]到建筑的重要性，建筑抗震設(shè)防類別調(diào)整為乙類，所有構(gòu)件在多遇地震下均保持彈性受力狀態(tài)，設(shè)防地震下重要構(gòu)件按中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.結(jié)構(gòu)分析動(dòng)力特性第1階（X向平動(dòng)，周期1.25s）第2階（扭轉(zhuǎn)，周期1.02s）第3階（豎向振動(dòng)周期0.81s）4.結(jié)構(gòu)分析凹形桁架斜腹桿穩(wěn)定分析上下翼緣寬度均為360mm，截面高度為變量。斜腹桿上部截面高800mm，下部截面高1200mm，腹板厚12mm，翼緣厚16mm。由于腹板較薄，設(shè)計(jì)中在斜腹桿中設(shè)計(jì)了縱向加勁肋，以保證腹板的穩(wěn)定性。 4.結(jié)構(gòu)分析凹形桁架斜腹桿穩(wěn)定分析不設(shè)置加勁肋時(shí)的屈曲分析設(shè)置加勁肋后的屈曲分析4.結(jié)構(gòu)分析凹形桁架斜腹

5、桿穩(wěn)定分析極限荷載下的變形圖（mm）極限荷載下的應(yīng)力圖（MPa）V形桁架斜腹桿在設(shè)計(jì)荷載下的雙非線性分析4.結(jié)構(gòu)分析整體模型中對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的特殊考慮根據(jù)建筑要求，兩柱肢頂部采用一塊頂板相連，桁架下弦桿穿過凹型梁腹板，凹型梁采用縱橫向加勁板及局部加勁板，柱頂與凹型梁間采用縱橫向鋼板組成的箱形截面相連接。凹型梁下部為薄壁H型截面，高1400mm，寬360mm，面外剛度及抗扭剛度較弱，可初步判斷該節(jié)點(diǎn)為半剛性連接。若僅采用普通梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，節(jié)點(diǎn)剛度由梁?jiǎn)卧目古ぬ峁?，由于H型鋼抗扭剛度很小，該處連接剛度接近鉸接；若采用剛性單元，則節(jié)點(diǎn)的受力與柱、桁架弦桿剛接，連接剛度偏大。4.結(jié)構(gòu)分析整體模型中對(duì)復(fù)

6、雜節(jié)點(diǎn)的特殊考慮結(jié)構(gòu)整體模型中進(jìn)行了實(shí)際的建模，以反映該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際剛度，本文將該方法稱為“節(jié)點(diǎn)原位實(shí)體法”。4.結(jié)構(gòu)分析整體模型中對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的特殊考慮4.結(jié)構(gòu)分析整體模型中對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的特殊考慮選擇節(jié)點(diǎn)區(qū)附近及跨中的點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)力、變形的比較。得到如下結(jié)論： （1）三種方法對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的模擬對(duì)結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)影響較小，如周期、變形； （2）三種方法對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的模擬對(duì)離節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)位置處的構(gòu)件計(jì)算結(jié)果影響較小，如圖12中點(diǎn)B、D、F、G； （3）三種方法對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的模擬對(duì)節(jié)點(diǎn)附近的局部構(gòu)件計(jì)算結(jié)果影響較大，如點(diǎn)C、E處的軸力與彎矩，直接影響到了該區(qū)域的構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)； （4）綜合分析看來，該節(jié)點(diǎn)連接為半剛性連接，但采用

7、普通梁?jiǎn)卧椒ㄟM(jìn)行模擬的整體計(jì)算結(jié)果與采用節(jié)點(diǎn)原位實(shí)體法的計(jì)算結(jié)果更為接近，但節(jié)點(diǎn)區(qū)計(jì)算分析應(yīng)采用節(jié)點(diǎn)原位實(shí)體法的分析結(jié)果。5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱頂節(jié)點(diǎn)5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱頂節(jié)點(diǎn)5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱頂節(jié)點(diǎn) 在1.0倍設(shè)計(jì)荷載下，板件最大應(yīng)力約220Mpa。 為研究節(jié)點(diǎn)的極限承載力，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了1.6倍設(shè)計(jì)荷載（約2倍標(biāo)準(zhǔn)荷載）下的節(jié)點(diǎn)分析。分析表明節(jié)點(diǎn)在1.6倍設(shè)計(jì)荷載下，節(jié)點(diǎn)區(qū)局部進(jìn)入塑性，但節(jié)點(diǎn)仍保持了較好的承載能力，節(jié)點(diǎn)承載能力冗余度較高。最大應(yīng)力點(diǎn)位于凹型梁腹板與下弦桿相接處。5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱頂節(jié)點(diǎn)ANSYS分析結(jié)果與SAP2000中節(jié)點(diǎn)原位實(shí)體法的對(duì)比。5.節(jié)點(diǎn)分析

8、B類人字柱柱頂節(jié)點(diǎn)5.節(jié)點(diǎn)分析B類人字柱柱頂節(jié)點(diǎn)5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱腳鉸軸節(jié)點(diǎn)直徑450mm鉸軸采用鑄鋼材料G20Mn5QT直徑160mm銷軸采用40Cr材料其它板件為Q345B鋼材。 最不利工況下的節(jié)點(diǎn)受力為：軸力4093kN，面外彎矩1457kN.m。5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱腳鉸軸節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)整體受力良好銷軸最大局部應(yīng)力202MPa5.節(jié)點(diǎn)分析A類人字柱柱腳鉸軸節(jié)點(diǎn)1倍設(shè)計(jì)荷載下，鑄鋼孔壁受局部壓力，部分材料進(jìn)行塑性。3倍設(shè)計(jì)荷載作用下，鑄鋼鉸軸邊緣及支座外側(cè)板件有較大區(qū)域進(jìn)入塑性，但節(jié)點(diǎn)仍具有一定的承載能力。1倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布3倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布5.節(jié)點(diǎn)分析中央入口大廳節(jié)點(diǎn)中央

9、入口大廳是十字型鋼柱支撐的大跨樹狀鋼結(jié)構(gòu)，由32個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)形成，屋面總平面尺寸141.3mX285.3m。樹狀結(jié)構(gòu)高32.8m，頂面邊長(zhǎng)約30m，柱距36m、39m。樹狀柱單元采用各種斜撐形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，整個(gè)樹狀柱的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在柱頂與樹冠連接處，有必要對(duì)該連接位置進(jìn)行有限元分析，以保證其安全性。5.節(jié)點(diǎn)分析中央入口大廳節(jié)點(diǎn)15.節(jié)點(diǎn)分析中央入口大廳節(jié)點(diǎn)11倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布圖 節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為215.7MPa，最大內(nèi)力出現(xiàn)在下部分叉與樹狀十字柱的交匯處。1.0倍節(jié)點(diǎn)控制內(nèi)力作用于節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)全部處于彈性工作狀態(tài)。5.節(jié)點(diǎn)分析中央入口大廳節(jié)點(diǎn)11.6倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布圖 在1.6倍

10、節(jié)點(diǎn)控制內(nèi)力作用下，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為321.864MPa，位于分支下部翼緣與十字柱壁板的交線位置。在1.6倍節(jié)點(diǎn)控制內(nèi)力作用于下，節(jié)點(diǎn)區(qū)仍完全處于彈性工作狀態(tài)。5.節(jié)點(diǎn)分析中央入口大廳節(jié)點(diǎn)11.0倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布圖 節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為298MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下部分叉與上部角分杈的交匯處，最大應(yīng)力出現(xiàn)于局部應(yīng)力集中區(qū)域。1倍節(jié)點(diǎn)控制內(nèi)力作用于節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)全部處于彈性工作狀態(tài)。5.節(jié)點(diǎn)分析中央入口大廳節(jié)點(diǎn)11.6倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布圖 1.6倍設(shè)計(jì)荷載下，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力350MPa，最大應(yīng)力位置與1.0倍荷載時(shí)的應(yīng)力集中點(diǎn)位置相同，在該節(jié)點(diǎn)的其余位置受力均處于彈性狀態(tài)。5.結(jié)論為節(jié)約造價(jià)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量采用了寬厚比較大的薄壁截面。該項(xiàng)目中，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及有限元分析結(jié)果，對(duì)薄壁構(gòu)件進(jìn)行了加勁肋的設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的局部穩(wěn)定晚于整體穩(wěn)定出現(xiàn)，保證構(gòu)件可以全面參與結(jié)構(gòu)受力，保證結(jié)構(gòu)分析的正確性，該項(xiàng)目中，柱頂復(fù)雜節(jié)點(diǎn)區(qū)的節(jié)點(diǎn)原位實(shí)體法模擬，對(duì)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算影響較小，但對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)附近桿件的受力影響較大；采用該方法對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行模擬，可以得到較為準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)區(qū)受力情況，以便更準(zhǔn)確地進(jìn)行后續(xù)的