石家庄国际会展中心标准展厅钢结构设计分析.pdf

第 43 卷 第 3 期 2013 年 2 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 3 Feb． 2013 石家庄国际会展中心标准展厅钢结构设计分析 沈春祥， 张同亿， 张春俊， 柴万先， 王若南， 贺晶 中国中元国际工程公司， 北京 100089 ［摘要］石家庄国际会展中心标准展厅屋盖呈折板形， 采用斜放倒三角形空间桁架和变坡次桁架构成的结构体 系， 巧妙实现了建筑造型， 主桁架跨度 72m， 竖向构件采用钢管混凝土柱。介绍了结构体系及屋盖布置， 通过风洞 试验得到风荷载取值， 给出结构静力、 动力及稳定性分析结果， 并对关键节点进行验算。分析结果表明在各种不利 荷载工况下， 结构的周期、 位移、 应力等指标均满足规范要求， 屋盖具有良好的整体稳定性。 ［关键词］折板;倒三角形空间桁架;风洞试验;静力计算;稳定性分析 中图分类号 TU393. 3文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 03- 0029- 04 Analysis and design on the steel structure of standard exhibition hall in Shijiazhuang International Convention and Exhibition Center Shen Chunxiang，Zhang Tongyi，Zhang Chunjun，Chai Wanxian，Wang Ruonan，He Jing China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China Abstract The roof of the standard exhibition hall of Shijiazhuang International Convention and Exhibition Center has a folding plate shape． The roof is ed by inverted triangular space truss and secondary truss， which elevation varies on the basis of architectural model． The span of the main truss is 72m． The whole roof is supported by concrete-filled steel tubular columns． The structure system and the roof arrangement were introduced，and the wind pressure value was decided through the wind tunnel test．The results of the static，dynamic and stability analysis were provided．The sample analysis of important node was carried on． The results of the analysis show that all the period，displacement and stress of the structure fulfill the code，and the whole stability of the roof is good． Keywords folded plate;inverted triangular space truss;wind tunnel test;static analysis;stability analysis 作者简介 沈春祥， 硕士， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email shenchunxiang ippr． net。 1工程概况 石家庄国际会展中心标准展厅总建筑面积约 7 万 m2， 展厅共 7 个， 根据悬挑情况分为 3 类， 每个展 厅之间通过走廊相连接， 如图 1 所示。本文介绍的 标准展厅为长 126m、 宽 72m， 最大悬挑尺寸 9m 的类 型。标准 展 厅 无 地 下 室， 上 部 结 构 最 高 点 标 高 22. 435m。 图 1标准展厅建筑效果图 展厅屋盖呈折板形， 相邻柱顶结构顶点高差 3. 6m， 倒三角形主桁架倾斜搁置， 桁架沿轴线的倾 角为 3， 主桁架之间设置坡度不断变化的平面次桁 架， 如图 2 所示。 2结构体系及屋盖布置 2. 1 竖向支撑体系 标准展厅的竖向支撑构件为钢管混凝土柱， 展 图 2标准展厅折形屋盖 厅内部不设柱子， 两侧钢管混凝土柱的纵向柱距为 18. 0m。 2. 2 屋盖体系及布置 展厅屋盖由倒三角形主桁架和平面次桁架构 成， 结构平面布置如图 3 所示。72m 跨度的等腰三 角形空间管桁架是屋盖的基本受力构件， 桁架两端 的标 高 依 据 建 筑 造 型 设 定， 顶 标 高 在 18. 835 ～ 22. 435m 之间变化， 高低点差值为 3. 6m， 主桁架自 身的高度为 4. 8m， 如图 4 所示， 主桁架上弦杆截面 选用 400 20、 下弦杆截面选用 500 30; 腹杆截 面选用 203 10。在主桁架之间设置折线形平面 建筑结构2013 年 次桁架， 次桁架上布置檩条， 次桁架和檩条构造出建 筑所需的不断起伏变化的造型， 并将屋面荷载传递 到主桁架。次桁架高度为 1. 8m， 每榀间距 9m， 次桁 架典型立面及与主桁架之间的连接构造如图 5 所 示， 次桁架可保证主桁架在竖向荷载作用下的侧向 稳定。主、 次桁架杆件均采用 Q345B 钢材。本工程 主桁架支承于下弦节点， 在立体桁架支座及相邻节 点处增设侧向边桁架以加强屋盖的稳定性。 图 3标准展厅钢结构屋面平面图 图 4主桁架结构示意图 图 5典型变坡次桁架立面示意图 本工程屋盖可采取的支座有两种 两端均铰接 连接; 一端铰接连接， 另一端滑动连接。考虑到本工 程温度作用效应较小， 屋盖倒三角形空间主桁架与 钢管混凝土柱的连接形式选择两端均铰接的方式， 并采用万向球铰支座。 3结构计算分析 展厅设计使用年限按 100 年， 建筑结构的安全 等级为一级。 3. 1 设计荷载及作用取值 屋面恒荷载 0. 8kN/m2， 吊挂荷载 0. 2kN/m2 ; 屋 面活荷载 0. 5 kN/m2， 屋面活荷载分别考虑荷载满 跨分布和半跨分布的情况， 以考虑最不利作用。基 本雪压取 0. 35kN/m2 100 年一遇 。考虑到当地近 年出现的极端天气及本工程的屋盖对积雪荷载较为 敏感， 在屋面采用融雪装置后， 按 1. 0kN/m2对屋盖 进行承载能力验算。 基本风压取 0. 4kN/m2 100 年一遇 。由于建 筑屋面体型很不规则， 所以利用风洞试验对结构进 行分析， 风洞试验报告 ［1］给出了风荷载体型系数、 风压系数及风振系数。当以标准展厅 XY 坐标系为 参照时， 风洞试验的 0风向角与 X 轴正向间夹角为 22、 与 Y 轴正向间夹角为 68。试验结果显示测点 水平向平均净风压极值位于展厅左侧短向角部， 最 大水平向正风压值为 0. 43kN/m2， 对应 10风向角; 最大水平负风压值为 － 0. 34kN/m2， 对应 120风向 角。竖向平均净风压极值位于展厅左侧悬挑端角 部， 最大竖向正风压值为 0. 29kN/m2， 对应 220风 向角; 最大竖向负风压值为 － 0. 58kN/m2， 对应 330 风向角。风荷载最终取用荷载规范 ［2］规定和风洞 试验两者的较大值。 抗震设防烈度为 7 度， 基本地震加速度峰值为 0. 10g， 设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类。 结构计算考虑水平和竖向地震作用， 阻尼比取 0. 02。 施工 阶 段 温 度 作 用 钢 结 构 升 温 荷 载 考 虑 50℃ ; 钢结构降温荷载考虑 － 20℃ 。使用阶段温度 作用 室外竖向钢构件和屋顶钢结构的温差考虑为 26℃ ; 室内竖向钢结构的温度荷载为 18℃ 。 3. 2 计算模型 展厅为不规则非对称结构， 采用有限元程序 MIDAS 建立结构整体空间三维模型， 如图 6 所示。 计算中主桁架和次桁架的弦杆、 腹杆及钢管混凝土 柱均采用梁单元， 钢管混凝土柱通过定义组合截面 参与计算设计。为得到更真实的结构受力情况， 外 围幕墙、 抗风柱等与主体发生关系的围护构件均作 为计算单元输入到三维模型中。 图 6标准展厅屋面钢结构三维计算模型 3. 3 结构动力特性 对结构进行反应谱分析， 分别输入 X， Y 和 Z 方 03 第 43 卷 第 3 期沈春祥， 等． 石家庄国际会展中心标准展厅钢结构设计分析 图 7标准展厅自振振型 向的反应谱函数和反应谱工况。计算振型数取 60 个， 计算结果显示各方向有效质量参与系数均大于 97 ， 前 3 阶模态振型如图 7 所示， 第 1 阶振型主要 是沿展厅横向的平动， 第 2 阶振型主要是沿展厅纵 向的平动， 第 3 阶振型是扭转振型， 第 4 阶振型是屋 盖沿竖向的半波振动。结构前 7 阶模态的周期和振 型情况见表 1。 周期及振型表 1 阶数1234567 周期 /s1. 531. 34 1. 331. 080. 890. 830. 81 振型Y 向X 向扭转Z 向Z 向Z 向Y 向 扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自 振周期之比为 0. 86。 3. 4 多遇地震下弹性时程分析 时程分析采用北京震泰工程技术有限公司提供 的两组天然波和安评报告给出的一组人工波。各个 时程分析与反应谱的基底剪力比较见表 2， 由表可 见， 钢结构屋盖的地震效应在时程分析和反应谱分 析中较为接近。在地震工况 包括自重 下主桁架 下弦跨中最大应力数值见表 3， 由表可见， 主桁架下 弦最大应力时程分析和反应谱分析结果也较接近。 时程与反应谱分析基底剪力比较表 2 方向 X 向 Y 向 基底剪力 /kN 时程 /反应谱 基底剪力 /kN 时程 /反应谱 反应谱1 7491 653 天然波 11 693 0. 971 7061. 03 天然波 22 116 1. 211 3140. 79 人工波1 4840. 851 4980. 91 时程平均1 7641. 011 5060. 91 3. 5 变形分析 荷载标准组合下主桁架跨中最大竖向位移为 208mm， 挠跨比为 1 /346， 计算结果满足规范 ［3， 4］要 求。水平荷载作用下的位移计算结果见表 4， 均可 满足规范限值。 时程与反应谱分析主桁架下弦最大应力比较表 3 方向 X 向 Y 向 下弦最大 应力 /MPa 时程 /反应谱 下弦最大 应力 /MPa 时程 /反应谱 反应谱102. 696. 2 天然波 196. 9 0. 9597. 11. 01 天然波 2110. 4 1. 0892. 30. 96 人工波96. 80. 9595. 50. 99 时程平均101. 370. 9995. 60. 98 最大层间位移角和顶点位移表 4 作用类别柱顶位移最大值 /mm层间位移角最大值 风荷载 X 向 6. 841 /2 120 Y 向 21. 91 /662 地震作用 X 向 15. 11 /960 Y 向 22. 81 /636 3. 6 杆件强度及稳定验算 正常使用状态， 承载力计算时各种不利工况下 的最大拉应力包络值出现在主桁架跨中下弦节点， 最大拉应力为 280MPa; 最大压应力出现在主桁架支 座处斜腹杆， 最大压应力为 － 267MPa， 满足要求。 满跨雪荷载极端情况下， 桁架杆件最大拉应力值 283MPa， 最大压应力值 － 284MPa， 没有超过杆件的 屈服强度， 说明在这种情况下构件还处于弹性受力 状态。 施工阶段温度荷载和恒荷载组合工况作用下， 杆 件 最 大 拉 应 力 为 260MPa，最 大 压 应 力 为 － 238MPa， 均没有超过钢材设计强度。各杆件在最 不利荷载工况下稳定验算结果表明， 各杆件均可以 满足相关规程要求。 3. 7 中震弹性分析 展厅屋盖和竖向支撑柱采用中震弹性设计， 以 确保在遭遇地震时有更高的抗震性能。中震分析地 震影响系数取小震的 2. 85 倍， 承载力计算仅考虑重 力荷载代表值效应和地震荷载作用效应的组合， 构 件内力不考虑调整系数。计算得到屋盖杆件最大拉 应力 286MPa， 最大压应力 － 283MPa， 竖向支撑柱钢 13 建筑结构2013 年 图 8节点杆件连接及应力云图 /MPa 材最大应力为 106MPa， 满足要求。 3. 8 空间桁架整体稳定性分析 对结构进行特征值屈曲分析， 即线性屈曲分析， 假定材料为线弹性。通过比较选取①恒载 满布活 载和②恒载 半跨活载这两种工况作为屈曲分析的 荷载组合。分析结果显示结构前几阶的屈曲模态都 是以幕墙构件及檩条的局部屈曲为主。第 1 种荷载 组合下， 从第 74 阶开始出现次桁架的屈曲， 屈曲特 征值系数为 12. 6， 主桁架的屈曲出现在更高阶模 态， 特征值系数为 51. 3; 第 2 种荷载组合下， 从第 57 阶开始 出 现 次 桁 架 的 屈 曲， 屈 曲 特 征 值 系 数 为 11. 22， 主桁架的屈曲也处于更高阶模态， 特征值系 数为 49. 1。对结构进行考虑初始几何缺陷的非线 性分析， 得到上述两种荷载组合下的整体稳定系数 分别为 7. 4 和 6. 8， 均大于 5， 说明结构具有较好的 整体稳定性。 3. 9 节点分析 主次桁架各杆件均采用相贯节点。根据受力不 利情况分别选取支座节点和主桁架跨中下弦节点进 行 ANSYS 有限元分析。分析时杆件选用 Solid45 单 元， 各杆件的连接示意图及节点应力如图 8 所示。 分析结果表明， 跨中节点处腹杆压应力最大值不超 过 － 70MPa， 支座节点处杆件最大应力值不超过 285 MPa， 满足设计要求。 4结论 1 标准展厅折板形屋盖造型独特， 采用空间 桁架的结构形式通常能较好地实现建筑的效果。展 厅屋盖主桁架倾斜布置， 在当地温差不大的情况下， 屋盖与支撑柱之间的连接可以采用构造上较为简单 的铰接形式。 2 标准展厅结构跨度大， 立面与屋面形状多 变， 风荷载是结构计算需要重点考虑的因素。本工 程风洞试验结果显示， 在屋盖的局部边角及悬挑部 位风荷载效应明显大于其他位置， 这在设计时应加 以重视。 3 考虑施工阶段温度作用以及当地雪荷载作 用等极限条件的结构验算是必要的， 确保结构在当 地极端自然条件下， 也处于安全的受力状态。 4 对于本工程屋盖体系， 结构以局部屈曲为 主， 可以确保屋盖整体稳定性。 参考文献 ［1］石家庄国际会展中心风荷载及风振研究报告［R］． 石家庄 石家庄铁道大学风工程研究中心，2012． ［2］GB 500092001 建筑结构荷载规范［S］． 2006 年版． 北京 中国建筑工业出版社， 2006． ［3］JGJ 72010 空间网格结构技术规程［S］． 北京 中国 建筑工业出版社， 2010． ［4］GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京 中国计 划出版社， 2003． 上接第 48 页 ［2］范峰， 支旭东， 钱宏亮， 等． 廊坊市体育场罩棚钢结构 设计［C］/ /杭州 第七届全国现代结构工程学术研讨 会， 2007． ［3］沈磊， 陆余年． 拱桁架产生的水平推力下的基础设计 探讨［J］． 建筑结构， 2009， 39 S1 800- 802． ［4］GB 500092001 建筑结构荷载规范 ［S］． 2006 年版． 北京 中国建筑工业出版社， 2006． ［5］周岱， 舒新玲， 周笠人． 大跨空间结构风振响应及其 计算与试验方法［J］． 振动与冲击， 2002， 21 4 7- 11． 23