重慶國(guó)際馬戲城支撐幕墻空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

敬承錢(qián)

中冶建工集團(tuán)有限公司 重慶 400054

1. 工程簡(jiǎn)介

重慶國(guó)際馬戲城項(xiàng)目是重慶市十大公益性項(xiàng)目之一，以雜技馬戲演出為主，集文化展示、文化交流、休閑娛樂(lè)、旅游為一體的大型綜合性文化設(shè)施。主表演館的建筑形態(tài)通過(guò)兩組空間曲線生成兩片相互包裹的曲面，圍合出馬戲劇場(chǎng)的主要空間，內(nèi)側(cè)曲面圓潤(rùn)、飽滿(mǎn)，外側(cè)曲面舒展平緩，自然延伸為屋面飄帶，與售票亭、餐飲、零售等商業(yè)設(shè)施有機(jī)的融合在起，可容納1500名觀眾觀看雜技、馬術(shù)、魔術(shù)等表演。

主表演館建筑面積為21850m2，建筑高度49.78m，主表演館主體結(jié)構(gòu)為屋頂采用雙向正交鋼桁架結(jié)構(gòu)體系屋面，屋面最大跨度為55.65m，墻面外圈設(shè)置16榀鋼筋混凝土外框斜柱，每跨柱網(wǎng)之間的夾角為22.50°。墻面為多層復(fù)合金屬幕墻，金屬幕墻需鋪掛在墻面幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)體系上，但主體結(jié)構(gòu)只設(shè)計(jì)了16榀鋼筋混凝土外框斜柱，無(wú)法達(dá)到建筑要求，需要在16榀鋼筋混凝土外框斜柱增加設(shè)計(jì)支撐幕墻空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

2. 結(jié)構(gòu)體系與建模找形方法

根據(jù)建筑整體形狀的特點(diǎn)，采用雙向斜交的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，16榀鋼筋混凝土外框斜柱內(nèi)外直接需要共設(shè)置21片雙向斜交的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，兩片外框斜柱之間軸線間距18m，高度15～32m不等。單層網(wǎng)殼采用三邊支撐，兩側(cè)邊采用鉸接連接，底側(cè)為釋放長(zhǎng)度方向應(yīng)力的鉸接連接。首先根據(jù)建筑方案建立BIM犀牛模型，根據(jù)初定截面口400X400矩管實(shí)際模擬每根鋼管的空間曲線走向，檢查有無(wú)碰撞，經(jīng)查鋼管與混凝土粱局部碰撞，經(jīng)過(guò)與建筑協(xié)商將截面調(diào)整為口400X350。再次以口400X350鋼管建立整體BIM犀牛模型，滿(mǎn)足建筑整體效果。將犀牛模型中口400X350鋼管導(dǎo)出CAD中心線條模型，再在3D3S和midas中導(dǎo)入CAD中心線條計(jì)算分析。

3. 分析模型和荷載作用

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用3D3S和midas兩種軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并相互校核。因每片網(wǎng)殼是獨(dú)立的，可每片獨(dú)立建立模型計(jì)算分析。

結(jié)構(gòu)荷載取值如下：

1）恒荷載：1KN/㎡（幕墻荷載），結(jié)構(gòu)自重由軟件自動(dòng)計(jì)算。

2）活荷載：0.5KN/㎡.

3）風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓為0. 4kN/m2( 50 年一遇) ，體型系數(shù)根據(jù)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，地面粗糙度類(lèi)別為 B 類(lèi)。

4）溫度作用：考慮±30°

5）地震作用：抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震第分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)。

4. 靜力分析計(jì)算和動(dòng)力特性分析

4.1 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

網(wǎng)殼前6階振型對(duì)應(yīng)的計(jì)算周期見(jiàn)表1，3D3S和midas兩個(gè)軟件動(dòng)力分析結(jié)果基本相同。結(jié)構(gòu)的前9階振型均為整體型振動(dòng)，沒(méi)有局部剛度薄弱而引起的局部振動(dòng)模態(tài)。

表1

4.2 結(jié)構(gòu)位移計(jì)算

依據(jù)分析結(jié)構(gòu)，分別統(tǒng)計(jì)核算網(wǎng)殼在各種荷載組合下的的豎向和水平變形位移，結(jié)構(gòu)在恒載+風(fēng)載作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為4.157mm，根據(jù)網(wǎng)殼規(guī)范其位移限制為L(zhǎng)/400=18000/400=45mm＞4.157mm，滿(mǎn)足其規(guī)范要求。豎向Z方向的最大位移為1.799mm，主要集中在頂部變形，底部基本無(wú)變形。恒載+風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)的變形不大，不敏感。

結(jié)構(gòu)在恒載+升溫作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為38.131mm，根據(jù)網(wǎng)殼規(guī)范其位移限制為L(zhǎng)/400=18000/400=45mm＞38.131mm，滿(mǎn)足其規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)在恒載+降溫作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為38.399mm，根據(jù)網(wǎng)殼規(guī)范其位移限制為L(zhǎng)/400=18000/400=45mm＞38.399mm，滿(mǎn)足其規(guī)范要求。溫度作用下豎向Z方向的最大位移為16.715mm，也主要集中在頂部變形，底部基本無(wú)變形。恒載+溫度作用下結(jié)構(gòu)的Y向變形較大，較敏感，其主要控制作用。

圖1（A）是結(jié)構(gòu)在恒載+風(fēng)載+溫度作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為40.225mm，根據(jù)網(wǎng)殼規(guī)范其位移限制為L(zhǎng)/400=18000/400=45mm＞40.225mm，滿(mǎn)足其規(guī)范要求。圖1（B）是結(jié)構(gòu)在恒載+風(fēng)載+溫度作用下豎向Z方向的最大位移為17.682mm，也主要集中在頂部變形，底部基本無(wú)變形。恒載+風(fēng)載+溫度作用下結(jié)構(gòu)的Y向變形較大，較敏感，起控制作用。

圖1 （A）恒載+風(fēng)載+溫度作用下Y方向的位移

圖1 （B）恒載+風(fēng)載+溫度作用下豎向Z方向

4.3 桿件應(yīng)力比

根據(jù)結(jié)構(gòu)在恒載+風(fēng)載+溫度工況組合作用下的桿件應(yīng)力比，所有桿件應(yīng)力比控制在0.8以?xún)?nèi)，桿件最大應(yīng)力比為0.777，改網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5. 整體穩(wěn)定性分析

5.1 線性特征值屈曲分析

線性特征值屈曲分析是不考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷，初步判斷和了解結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，將分析得到的屈曲模態(tài)可作為初始缺陷的分布形式引入下一步非線性屈曲穩(wěn)定性分析。在1.0恒載+1.0風(fēng)載下進(jìn)行線性屈曲分析，通過(guò)3D3S計(jì)算的第一階模態(tài)線性整體穩(wěn)定系數(shù)為74.697，通過(guò)MIDAS計(jì)算的第一階模態(tài)線性整體穩(wěn)定系數(shù)為72.587,二者計(jì)算結(jié)果比較接近，均大于10，滿(mǎn)足要求。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的前 9階特征值詳見(jiàn)表2，前3階屈曲模態(tài)如圖2所示。

表2 前6階特征值

圖2 前3階屈曲模態(tài)

5.2 非線性屈曲分析

根據(jù)網(wǎng)殼規(guī)程規(guī)定，通過(guò)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的幾何非線性全過(guò)程分析，并考慮可幾何初始缺陷、不利荷載分布等影響后求得第一個(gè)臨界點(diǎn)荷載值，可作為網(wǎng)殼的極限承載力，將極限承載力除以系數(shù)K后，即為按網(wǎng)殼穩(wěn)定性確定的容許承載力（標(biāo)準(zhǔn)值）。當(dāng)按彈性全過(guò)程分析時(shí)，單層網(wǎng)殼的安全系數(shù)K可取為4.2。本項(xiàng)目進(jìn)行考慮初始幾何缺陷進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，以第一階線性屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷的分布模態(tài)，其最大缺陷值可按照單層網(wǎng)殼的最大跨度的1/300取值，當(dāng)層網(wǎng)殼的跨度為18米，所以按照比例調(diào)整后的幾何缺陷最大值為60mm，在此基礎(chǔ)上調(diào)整計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析計(jì)算，分析工況為恒載+風(fēng)載，經(jīng)MIdas分析的幾何非線性時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為45.16,3D3S計(jì)算結(jié)果為44.6，計(jì)算結(jié)構(gòu)均大于4.2，表明滿(mǎn)足網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性較好，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6. 結(jié)束語(yǔ)

該單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有很好的整體穩(wěn)定性和剛度，能很好的實(shí)現(xiàn)建筑意圖和效果。通過(guò)兩個(gè)軟件的對(duì)比分析，溫度荷載起主要控制作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力有較大影響，從結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及靜力計(jì)算分析的數(shù)值結(jié)果上可以看出本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所有桿件的強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的變形也都滿(mǎn)足規(guī)范要求。網(wǎng)殼各個(gè)桿件的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)整體剛度均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)也完全滿(mǎn)足使用要求。故得出的結(jié)論為: 本單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用的要求，同時(shí)施工上也可行。