將臺花園單層網(wǎng)殼屋面整體結(jié)構(gòu)計算報告

第一部分結(jié)構(gòu)計算說明1.工程概況北京將臺商務(wù)中心主要包括酒店、辦公樓、商場及冬季花園。如圖1.1.1所示。冬季花園屋面投影面積約六千平米，由冬季花園單層網(wǎng)殼玻璃屋面和東立面豎向單索玻璃幕墻兩部分組合而成。北立面及西立面為普通框式幕墻和鋁板包飾帶。冬季花園屋面鋼結(jié)構(gòu)為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，大致呈三角形。圖1.1.1冬季花花園效果圖受晶藝玻璃工程有限公司委托，我研究室復(fù)核了冬季花園整體結(jié)構(gòu)在各種荷載工況作用下的變形及承載能力，包括屋面網(wǎng)殼變形、立面幕墻變形、柱頂側(cè)移以及桿件應(yīng)力、拉索和拉桿強度等，并復(fù)核了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能。2.復(fù)核依據(jù)2.1業(yè)主提供的資料1）將臺商務(wù)中心冬季花園SAP2000計算模型及計算書（11月15日）2）將臺商務(wù)中心冬季花園鋼結(jié)構(gòu)施工圖（7月7日）2.2國家現(xiàn)行規(guī)范1）建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011——20012）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017——20033）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ61——20034）玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ102-20033.計算說明3.1有限元計算程序ANSYS11.03.2有限元模型網(wǎng)殼桿件及鋼柱采用Beam189單元，拉索采用Link10單元，幕墻采用Surf154單元（不考慮玻璃剛度）。為了考慮某些節(jié)點處的自由度釋放，采用了Beam44單元。有限元模型如下圖所示。與含有排水溝的主梁段相連接的次梁節(jié)點采用自由度耦合實現(xiàn)鉸接連接。存在自由度釋放的桿件有：CG114釋放與索連接端的M2、M3；DG76上端釋放三向彎矩，下端釋放M2、M3；正立面右側(cè)三根新鋼柱柱頂釋放M2、M3；與主梁水溝段連接的次梁，端部釋放M3。（SAP中M3為強軸彎矩，M2為弱軸彎矩，T為扭矩）。同時，根據(jù)中巍公司提供的混凝土墻的剛度，在部分支座處設(shè)置彈簧，彈簧采用COMBIN14單元，具體支座情況見表1.3.1。表1.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)支座情況位置水平方向約束垂直方向約束西立面彈簧剛度2.211×104kN/m彈簧剛度92.776×104kN/m北立面—1彈簧剛度1.266×104kN/m彈簧剛度51.118×104kN/m北立面—2彈簧剛度0.755×104kN/m彈簧剛度31.993×104kN/m三層Φ28拉索支支座彈簧剛度4.355×104kN/m彈簧剛度165..0×104kN/m二層Φ40拉索支支座彈簧剛度13.994×104kN/m彈簧剛度3.600×104kN/m一層Φ40拉索支支座約束水平平動位移移彈簧剛度3.600×104kN/m一層Φ80拉索及及鋼柱支座約束水平平動位移移約束豎向平動位移移圖1.3.1~1.3.4給出了結(jié)構(gòu)的有限元模型圖。圖1.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)整體模型圖1.3.2殼體體桿件及柱單單元圖1.3.3結(jié)構(gòu)構(gòu)單線模型圖1.3.4主梁梁（拱）單元元3.3模型說明模型參考提供的最新SAP模型，在此進(jìn)行如下說明：1）與上一版模型相比，增大了部分拉索的預(yù)應(yīng)力。2）西立面鋼柱增加了部分斜撐，結(jié)構(gòu)支座情況有所變動。3）SAP模型中，與主梁水溝段連接的次梁端部釋放主軸彎矩。ANSYS在此處通過耦合三方向平動位移實現(xiàn)連接，相當(dāng)于釋放三向彎矩。4.復(fù)核內(nèi)容主要包括以下三部分：1）整體靜力分析2）非線性整體穩(wěn)定性分析3）優(yōu)化建議第二部分結(jié)構(gòu)的靜力性能1.計算工況選取以下工況進(jìn)行計算。表2.1.1計算算工況工況DLLLWC+WC-WR+WR-SDTD+TD-TEMPTEMP1DL11正常使用極限狀態(tài)態(tài)FC111110.83FC211110.83FC311110.83FC411110.83FC51110.83FC61110.83FC1110.6111FC1210.6111FC1310.6111FC1410.6111FC15110.60.61FC16110.60.61FC17110.60.61FC18110.60.61FC19110.61FC20110.61FC21110.601FC22110.61承載能力極限狀態(tài)態(tài)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.殼體結(jié)構(gòu)變形分析冬季花園屋面鋼結(jié)構(gòu)為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，大致呈三角形。屋面最大柱間跨度68.37m，網(wǎng)殼最大跨度約為74.6m，豎向拉索最大長度為22.7m。表2.1.2為結(jié)構(gòu)在各種工況作用下的最大變形情況。表2.1.2結(jié)構(gòu)構(gòu)最大變形荷載工況結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)部位殼體最大變形拱序號TEMP50.61屋面網(wǎng)殼50.614DL159.42屋面網(wǎng)殼159.427DL+LL191.79屋面網(wǎng)殼191.797DL+SD202.12屋面網(wǎng)殼202.127FC1361.86立面幕墻162.367FC2379.71立面幕墻172.967FC3378.39立面幕墻68.646FC4383.40立面幕墻79.727FC5182.49屋面網(wǎng)殼182.497FC6192.83屋面網(wǎng)殼192.837FC11338.08立面幕墻192.437FC12347.98立面幕墻202.287FC13353.36立面幕墻97.566FC14350.23立面幕墻107.456FC15211.47立面幕墻201.147FC16228.03立面幕墻207.027FC17216.92立面幕墻143.107FC18228.36立面幕墻148.997FC19190.05屋面網(wǎng)殼190.057FC20193.56屋面網(wǎng)殼193.567FC21200.26屋面網(wǎng)殼200.267FC22204.73屋面網(wǎng)殼204.7372.1屋面網(wǎng)殼最大變形由于在不同工況作用下屋面網(wǎng)殼最大變形處位置不同，因此對應(yīng)的跨度有所不同，根據(jù)《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大位移計算值不應(yīng)超過短向跨度的1/400。在此結(jié)構(gòu)中，認(rèn)為與最大變形處相距最近的拱跨度為其短向跨度。將網(wǎng)殼在各種工況作用下的最大變形與變形控制比較列表如表2.1.3所示。表2.1.3屋面面網(wǎng)殼最大變變形及超標(biāo)情情況工況最大變形/mm拱序號跨度/m變形控制/mm是否滿足要求變形超標(biāo)變形/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可見屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的變形部分超標(biāo)，F(xiàn)C16作用下最大超標(biāo)130.9%，變形與跨度比值最大為1/173。由表2.1.3可以計算得到：恒載作用下屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大變形為159.42/35870=1/225；活載作用下屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大變形為191.79-159.42=32.37mm，與跨度的比值為32.37/35870=1/1108；雪載作用下屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大變形為202.12-159.42=42.70mm，與跨度的比值為42.7/35870=1/840。由以上可見，在組合工況中，恒荷載作用下的變形占了整個變形的大部分，恒載作用下結(jié)構(gòu)的變形與跨度比值為1/225，不滿足要求，這可以通過預(yù)起拱方法解決?；钶d作用下結(jié)構(gòu)的變形與跨度比值為1/1108，滿足要求，雪荷載作用下結(jié)構(gòu)與跨度的比值為1/840，滿足要求。2.2立面幕墻最大變形按照規(guī)范幕墻的變形控制為：拉索最大長度22.7m，fmax=22700/55=412.72mm。計算所得幕墻最大變形為FC4工況作用下，大小為386.40mm。可見幕墻變形滿足要求。2.3典型荷載與標(biāo)準(zhǔn)值組合工況下的變形云圖1）預(yù)應(yīng)力TEMP圖2.2.1預(yù)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)變形云圖2）恒載DL+TEMP圖2.2.2恒載（DL+TEMP）作用下結(jié)構(gòu)變形云圖3）恒載+活載圖2.2.31.0恒載+1.0活載作用下結(jié)構(gòu)變形云圖4）恒載+雪載圖2.2.41.0恒載+1.0雪載作用下結(jié)構(gòu)變形云圖5）工況FC1圖2.2.5FC1作用下結(jié)構(gòu)變形云圖6）工況FC2圖2.2.6FC2作用下結(jié)構(gòu)變形云圖7）工況FC3圖2.2.7FC3作用下結(jié)構(gòu)變形云圖8）工況FC4圖2.2.8FC4作用下結(jié)構(gòu)變形云圖9）工況FC5圖2.2.9FC5作用下結(jié)構(gòu)變形云圖10）工況FC6圖2.2.10FC6作用下結(jié)構(gòu)變形云圖11）工況FC11圖2.2.11FC11作用下結(jié)構(gòu)變形云圖12）工況FC12圖2.2.12FC12作用下結(jié)構(gòu)變形云圖13）工況FC13圖2.2.13FC13作用下結(jié)構(gòu)變形云圖14）工況FC14圖2.2.14FC14作用下結(jié)構(gòu)變形云圖15）工況FC15圖2.2.15FC15作用下結(jié)構(gòu)變形云圖16）工況FC16圖2.2.16FC16作用下結(jié)構(gòu)變形云圖17）工況FC17圖2.2.17FC17作用下結(jié)構(gòu)變形云圖18）工況FC18圖2.2.18FC18作用下結(jié)構(gòu)變形云圖19）工況FC19圖2.2.19FC19作用下結(jié)構(gòu)變形云圖20）工況FC20圖2.2.20FC20作用下結(jié)構(gòu)變形云圖21）工況FC21圖2.2.21FC21作用下結(jié)構(gòu)變形云圖22）工況FC22圖2.2.22FC22作用下結(jié)構(gòu)變形云圖3.柱頂變形結(jié)果校核比較了增加斜撐后柱頂?shù)淖冃吻闆r。根據(jù)前面計算結(jié)果，較為不利的情況有FC1、FC2、FC12、FC20四種工況。因而針對這四種工況進(jìn)行柱頂側(cè)移分析。表2.3.1柱頂側(cè)側(cè)移最大值（mm）工況柱頂節(jié)點UXUYUZ水平位移f柱高HΔ/H備注FC21811.01-11.090.3015.625031.01/322西立面鋼柱FC120-3.31-11.441.4213.254715.01/356西立面鋼柱FC122-8.05-10.200.8212.994331.01/333西立面鋼柱FC122419.846.81-1.4020.984252.01/203西立面鋼柱FC122625.5513.71-0.4929.004047.01/140西立面鋼柱FC202822.4729.74-1.2737.283648.01/98西立面鋼柱FC203024.8537.36-1.4844.874067.01/91西立面鋼柱FC132-13.19-8.121.0215.484019.01/260西立面鋼柱FC134-15.95-4.680.3616.633904.01/235西立面鋼柱FC136-18.52-0.961.0818.544027.01/217西立面鋼柱FC138-18.863.020.7019.104372.01/229西立面鋼柱FC1546-18.337.051.2719.644932.01/251西立面鋼柱FC20149925.9141.37-1.8848.812879.01/59西立面鋼柱FC12246.1226.49-6.6153.1922661.41/426正面鋼柱FC12450.4125.41-7.6156.4522399.01/397正面鋼柱FC12653.9626.46-6.8460.1021709.61/361正面鋼柱FC2863.6113.621.3865.0520695.41/318正面鋼柱FC21066.1018.811.5268.7319705.61/287正面鋼柱FC21260.6922.531.5464.7419262.71/298正面鋼柱FC21447.3322.502.4952.4019791.51/378正面鋼柱FC21634.2419.802.7939.5521602.31/546正面鋼柱FC2133527.2618.734.9233.0823434.51/708正面鋼柱FC2149214.0315.190.3220.687720.01/373新增鋼柱FC214947.4019.082.1620.468220.41/402新增鋼柱FC214961.9318.041.2518.148609.41/475新增鋼柱FC2123212.5418.440.0122.301727.01/77新增鋼柱柱頂側(cè)移最大節(jié)點為1499，為柱高的1/59，對應(yīng)鋼柱為西立面角柱4586。4.靜力性能強度分析4.1桿件最大應(yīng)力表2.4.1給出了梁柱單元在各種工況作用下最大應(yīng)力值。表2.4.1桿件最最大應(yīng)力值（MPa）工況Q235Q345LG75最大應(yīng)力屈服強度是否超標(biāo)最大應(yīng)力屈服強度是否超標(biāo)最大應(yīng)力屈服強度是否超標(biāo)SC2106235未超標(biāo)391345超標(biāo)388414未超標(biāo)SC6114235未超標(biāo)458345超標(biāo)427414超標(biāo)SC796.8235未超標(biāo)434345超標(biāo)405414未超標(biāo)SC33-1104235未超標(biāo)388345超標(biāo)364414未超標(biāo)SC34-1152235未超標(biāo)407345超標(biāo)379414未超標(biāo)SC35-176.6235未超標(biāo)286345未超標(biāo)336414未超標(biāo)由上表可見，Q345鋼及部分拉桿有部分屈服，Q235鋼保持在彈性范圍以內(nèi)。應(yīng)力超標(biāo)拉桿與角柱相連，見圖2.4.1。屋面網(wǎng)殼桿件（Q345）應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域主要發(fā)生在第一榀主梁與次梁鉸接的節(jié)點處及第七榀主梁與次梁交接的部分節(jié)點處。以工況SC6及SC7為例，見圖2.4.2。圖2.4.1拉桿桿應(yīng)力超標(biāo)示示意圖(a)工況SCC6(b)工況SCC7圖2.4..2Q3345應(yīng)力超標(biāo)示示意圖（Pa）4.2拉索最大拉力表2.4.2給出了三種型號的拉索在各種工況作用下最大拉力值，可見拉索拉力均滿足設(shè)計要求。表2.4.2拉索拉拉力最大值（kN）工況LS28LS40LS80最大拉力設(shè)計承載力是否超標(biāo)最大拉力設(shè)計承載力是否超標(biāo)最大拉力設(shè)計承載力是否超標(biāo)SC2352.13438未超標(biāo)821.89921未超標(biāo)14403873未超標(biāo)SC6351.64438未超標(biāo)843.90921未超標(biāo)12403873未超標(biāo)SC7358.26438未超標(biāo)835.74921未超標(biāo)13503873未超標(biāo)SC33-1384.44438未超標(biāo)797.94921未超標(biāo)14203873未超標(biāo)SC34-1379.26438未超標(biāo)786.33921未超標(biāo)13003873未超標(biāo)SC35-1391.15438未超標(biāo)772.71921未超標(biāo)18203873未超標(biāo)4.3Φ40拉索內(nèi)力圖圖2.4.1~圖2.4.6給出了Φ40拉索在各種工況作用下的內(nèi)力圖。圖2.4.1SCC2作用下Φ40內(nèi)力圖圖2.4.2SCC6作用下Φ40內(nèi)力圖圖2.4.3SCC7作用下Φ40內(nèi)力圖圖2.4.4SCC33-1作用下Φ40內(nèi)力圖圖2.4.5SCC34-1作用下Φ40內(nèi)力圖圖2.4.6SCC35-1作用下Φ40內(nèi)力圖第三部分結(jié)構(gòu)的的整體穩(wěn)定分分析1.計算工況《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)規(guī)程規(guī)定》規(guī)規(guī)定，球面網(wǎng)網(wǎng)殼的全過程程分析可按滿滿跨均布荷載載進(jìn)行，圓柱柱面網(wǎng)殼和橢橢圓拋物面網(wǎng)網(wǎng)殼宜補充考考慮半跨活荷荷載分布。并并在條文說明明中指出，網(wǎng)網(wǎng)殼穩(wěn)定承載載力以“恒載+活載”來衡量；對對橢圓拋物面面和兩端支撐撐的圓柱面網(wǎng)網(wǎng)殼，應(yīng)在計計算中考慮活活載的半跨分分布對網(wǎng)殼穩(wěn)穩(wěn)定性承載力力的影響。根據(jù)上述規(guī)范規(guī)定定，結(jié)合本工工程實際情況況，考慮以下下四種加載方方式進(jìn)行全過過程分析，來來考察結(jié)構(gòu)的的穩(wěn)定承載力力：NS1——初始狀狀態(tài)1.0預(yù)應(yīng)力力；加載至10*（1.0恒載+1.0活載）NS2——初始狀狀態(tài)1.0預(yù)應(yīng)力；加加載至10*（1.0恒載+1.0雪載）NS3——初始狀狀態(tài)1.0預(yù)應(yīng)力；加加載至10*（1.0恒載+1.0半跨活載）NS4——初始狀狀態(tài)1.0預(yù)應(yīng)力；加加載至10*（1.0恒載+1.0半跨雪載）其中，為考慮最不不利情況，半半跨活荷載施施加在結(jié)構(gòu)的的下凹區(qū)域，如如圖3.1..1紅色部分分所示。圖3.1.1結(jié)構(gòu)半半跨荷載施加加區(qū)域示意圖圖2.特征值屈曲結(jié)構(gòu)在四種工況作作用下的第一一階特征值屈屈曲系數(shù)見表表3.2.11。第一階特征值值屈曲模態(tài)如如圖3.2.11~3.2..4所示。表3.2.1結(jié)構(gòu)第第一階特征值值屈曲系數(shù)工況NS1NS2NS3NS4系數(shù)8.74508.59599.22378.8828圖3.2.1結(jié)構(gòu)第一一階特征值屈屈曲模態(tài)（NS1）圖3.2.2結(jié)構(gòu)第第一階特征值值屈曲模態(tài)（NS2）圖3.2.3結(jié)構(gòu)第第一階特征值值屈曲模態(tài)（NS3）圖3.2.4結(jié)構(gòu)第第一階特征值值屈曲模態(tài)（NS4）3.全過程分析計算時考慮幾何非非線性，材料料保持為線彈彈性，初始幾何缺缺陷為第一階階屈曲模態(tài)，缺陷最大值值為746000/3000=248..7mm。3.1加載方式式NS1結(jié)構(gòu)的荷載位移曲曲線如圖3.3.1所示示，結(jié)構(gòu)的整整體穩(wěn)定系數(shù)數(shù)為4.9112。橫坐標(biāo)為網(wǎng)網(wǎng)殼變形最大大節(jié)點的豎向向位移，縱坐坐標(biāo)為荷載系系數(shù)。結(jié)構(gòu)屈曲點變形圖圖如圖3.3.2所示示。圖3.3.1NS11荷載位移曲曲線圖3.3.2屈曲曲點結(jié)構(gòu)的變變形云圖3.2加載方式式NS2結(jié)構(gòu)的荷載位移曲曲線如圖3..3.3所示示，結(jié)構(gòu)的整整體穩(wěn)定系數(shù)數(shù)為5.235。結(jié)構(gòu)屈曲點變形圖圖如圖3.3.4所示。圖3.3.3