南宁国际会展中心穹顶网壳钢索膜结构风载作用分析.doc

南宁国际会展中心穹顶网壳钢-结构风载作用分析索膜罗月静1 , 秦荣1 , 梁汉吉2 , 彭文立1 , 谢开仲1(1. 广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004; 2. 广西综合设计研究院, 广西 南宁 530001)摘要: 综合运用 A CC E SS、C 语言程序及 A N SYS 的 A PDL 语言, 对南宁会展中心穹顶旋转双曲面网壳钢2索膜结构进行建模, 并分别按照规范取值和风洞试验值两种方式所得体形系数, 计算各方向风载作用下该结构 的静力反应, 结果满足规范要求, 说明结构安全可靠, 为结构施工图设计提供计算依据.关键词: 穹顶; 网壳钢-中图分类号: TU 391薄膜结构; 风载; A N SYS文献标识码: A工程概况及计算任务南宁国际会展中心是广西南宁市标志性建筑之一, 多功能厅的穹顶造型由 12 片花瓣组成, 宛如南 宁市市花 朱槿花. 中心总投资 6. 5 亿元, 占地 6. 5 万 m 2 , 建筑面积约 10 万 m 2 , 由多功能厅、圆桌会议厅、阶梯国际报告厅、新闻中心以及各种规模的会议室组成.1图 1会展中心设计效果图图 2南宁国际会展中心穹顶结构模型南宁国际会展中心是由德国 GM P 建筑事务所和广西建筑综合设计研究院联合设计. 竞标时共有 6家国外著名设计公司提供了设计方案, 最终由德国著名的 GM P 建筑事务所胜出, 它巧妙地利用地形地 貌, 依山就势逐层升高, 让主建筑高高位于山坡上. 会展中心穹顶采用了目前世界上最先进的 P T F E 白 色膜材作为表面覆盖材料. 穹顶上的张拉膜由特普龙制成, 使用寿命长达 30 年以上, 还有防尘、防腐和 自洁的功能. 一般的膜类屋顶经不起风吹日晒雨淋, 容易变色、变形、变脏, 而国际会展中心的穹顶张拉 膜则越晒越洁白, 膜面只要经雨水冲刷, 便可以光洁如新.在施工图设计阶段, 由于这是一个特大型公共设施, 按照规范规定, 必须运用两个以上的程序进行 运算, 并且要有两个以上不同单位进行计算. 因此除了由广西综合设计院运用美国著名软件 STA A D PRO 进行计算外, 又委托广西大学计算力学与结构仿真分析研究所用大型有限元程序 A N SY S 进行了 静动力分析, 本文详细说明了充分运用 A CC E SS、C 语言程序及A N SY S 的 A PDL 语言进行对南宁国际会展中心穹顶钢- 索膜结构进行建模及在风载作用下静力分析的过程.会展中心穹顶钢- 索膜结构布置1会展中心入口多功能大厅上方的穹顶, 底部直 径 72 m , 高 47 m , 主体结构为旋转双曲面网壳钢结 构, 由 12 个相同的变截面圆弧形空间钢桁架环环相 扣连接形成, 其底部外径 70 m , 顶部外径 20 m , 支 承于设置在多功能大厅屋面环梁的 12 个球形铰支 座上. 穹顶内外覆盖半透明的 P T F E 张拉膜结构封 闭, 内层薄膜支承固定在主结构上, 而主结构上另设 有一附属结构, 用以支撑固定外层薄膜. 钢结构约1 000 t, 索膜结构约 13 600 m 2. 主结构的每个空间桁架单元具有两个曲面, 曲面由斜杆相联结而成. 穹 顶钢结构每个空间桁架单元弧长约 60 m , 单个钢桁架重约 60 t, 最大截面尺寸为 8 m 7 m.2图 3会展中心穹顶钢2索膜结构布置模型的建立过程3会展中心穹顶首先由广西综合设计院作好结构布置并用 STA A D PRO3进行计算, 再由广西大学土木工程学院计算力学与结构仿真分析研究所使用 A N SY S 进行计算, 因此 A N SY S 中穹顶计算模型应与 STA A D PRO 中的模型一致. 模型点的坐标、线面的组成及单元特性等, 都在 STA A D PRO 软件 的模型文件中, 但由于 STA A D PRO 的模型无法直接转换到 A N SY S 中, 因此必须进行处理. 在运用 A N SY S 进行建模时, 若用 GU I 方式手工输入, 工作量很大且容易出错, 因此运用了 A N SY S 的二次开 发技术, 使用 A PDL 语言编程进行节点座标输入、生成线、面及划分网格等.本计算所用软件 A N SY S 是美国 A N SY S 公司的产品, 该软件可广泛应用于一般工业及科学研究 领域. A N SY S 软件基于M O T IF 的图形用户界面, 智能化菜单引导、帮助等, 为用户提供了强大的实体 建模及网格划分工具, 直接建模与实体建模相结合, 可对各种物理场量进行分析, 前、后处理及求解阶段 紧密结合, 可以进行计算结果的排序和检索、彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、变形显示及各种动 画显示等. A PDL (A N SY S P a ram e t r ic D e sign L an gu age) 语言是 A N SY S 参数化设计语言的简称, 是对 A N SY S 进行定制和二次开发的基础. A N SY S 程序设计中, 命令后往往带有参数, 当结构状态改变时, 命令后参数也会有所改变, 这时就需要用户重新输入命令. 对于简易结构可直接更改命令, 但是对于大 型或复杂结构, 要完全正确地更改并不容易. 故 A N SY S 提供参数设计语言 A PDL , 以更方便的方式进行程序编辑. A PDL 是一种解释性语言, 可以用来自动完成一些通用性强的任务, 也可以根据参数建立模型, 并能较容易地控制计算流程、获得内部计算数据及数据的输入输出等. A PDL模、计算及数据处理, 同时使有些凭手工无法想象的工作成为可能.语言大大方便了建为了将模型数据从 STA A D PRO 文件提取出来以便在 A N SY S 中建模、计算、提取结果数据, 还用到了 A CC E SS 和 C 语言进行处理, 主要过程是:1、编写包含穹顶结构基本信息的建模数据文件. 2、编写荷载信息文件. 3、在 A N SY S 中读入建模文 件, 形成计算模型, 再读入荷载文件, 进行计算求解. 4、编写后处理文件, 用于提取需要的结果信息.结构基本信息主要指节点信息、单元信息、材料信息、实常数信息、约束信息以及荷载信息. 然后采用下面 A N SY S 命令输入该数据文件 (假定数据文件名是 K P. tx t) : IN PU T , K P. tx t (相应的 GU I 菜单方式是 U t ility M en u F ile R ead Inp u t f roma) 几何模型的形成)1) 点坐标输入文件的生成: 将从 STA A D 中取得的点坐标按照“点号 n , X 坐标, Y 坐标, Z 坐标”的顺序, 每个点占一行放在一个 tx t 文件中 (kp _ staad. tx t ) , 再编制 C 语言程序, 每读一行数据, 就按照 “k , n , x , y, z”的格式相应输出一行数据到另一个 tx t 文件 kp _ an sy s. tx t, 这样就用 C 语言自动生成了A N SY S 的点输入文件, 从 A N SY S 程序中直接读入就可以生成点的坐标._staad. tx t 文件中, 再编制 C 语言程序, 每读一行数据, 就按照“L , n 1, n 2”的格式相应输出一行数据到lin e _ an sy s. tx t 文件中; 将面信息按照“面号, 面端点 n 1, 面端点 n 2, 面端点 n 3, 面端点 n 4”的格式放在文件 a rea _ staad. tx t 文件中, 按“A , n 1, n 2, n 3, n 4”的格式相应输出一行数据到 a rea _ an sy s. tx t 文件,这样就用 C 语言自动生成了 A N SY S 的线、面输入文件. b ) 有限元模型的形成完成点、线、面输入文件后从 A N SY S 读入就可以形成几何模型, 下一步就要考虑划分单元. 1) 将钢 桁架每根杆件按杆单元 lin k 8 划分, 薄膜按壳单元 SH EL L 41 划分, 竖向大龙骨共 36 根及中间大圆形灯 架用梁单元 B EAM 4 划分. 按照截面形式的不同, 杆单元实常数共有 18 种, 梁单元实常数共有 4 种, 壳 单元实常数共两种 (内、外索膜各一种). 由于单元种类众多, 为方便进行网格划分, 选择杆件时可采用组 元 (Com po n en t s) 将同种归类.2) 从 STA A D 中取得的有限元数据众多, 为不至于引起错误, 将它们按照不同单元属性用A CC E SS进行分类整理, 每种截面形式为一种 ID 号, 按照 ID、截面形式、原杆件数据、整理后数据、对应 A N SY S 杆件编号、对应 A N SY S 组元、截面特性等进行归类. 对于每一种 ID , 原数据中杆件号当有连号时用 “TO ”连接, 换行用“- ”连接, 因此用 C 语言编程时将“n 1 to n 2”之间用连续数据填满, 去掉“- ”, 就可 得到整理后数据, 然后再读此数据, 假设数据有从 n 1、n 2 到 n n 共 n 个, 那么就按照以下格式形成组元 C 1:“FL ST , 5, n , 4, O RD E , n ? F IT EM , 5, n 1? F IT EM , 5, n 2? ? F IT EM , 5, n n ? L SEL , S, , , P 51X ? CM , L , C 1”(括号中“”为换行)再 按照以下格式进行单元赋值:“CM SEL , S, C 1! 选择 C 1 组元 ? L A T T , 1, 1, 2, , , , ! 对 C 1组元所有杆件赋第 1 种单元属性”, 最后就可用“lm e sh , a ll”命令一次对所有杆件划分网格. 同样可对面 进行划分网格, 最后得到如图 2 的计算模型.风载的施加由于会展中心的重要性, 确定风载时除了根据规范的有关规定取值外, 还委托广州某公司进行风洞 试验得到穹顶的体形系数 (风洞试验值是众多离散的数据, 此处未列出) , 本计算将两种取值都进行计算 并分析结果.规范中建筑结构受风载的计算公式为: w K = Z S Zw 04w 0 - 基本风压, 取值为 0. 351. 1 kN m 2; (本结构是对风荷载敏感的结构, 故乘以重现期调整系式中:数 1. 1)S - 圆截面建筑物的风载体型系数, 取值如表 1 (另按风洞试验取值分别计算) ;Z - 风压高度变化系数, 按文献4规范表 7. 2. 1 中的 B 类场地一栏取用;Z - 高度 Z 处的风振系数 1. 8, 按文献 4规范计算取值. 对于基本自振周期 T 1 大于 0. 25 的工程 结构, 如房屋、屋盖及各种高耸结构, 以及对于高度大于 30 m 且高宽比大于 1. 5 的高柔房屋, 均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响. 结构在 Z 高度处的风振系数 Z 可按下式计算:ZZ = 1+, 式中各系数意义及取值见文献4 .表 1圆截面建筑物的体型系数Z0 1530 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180+ 1. 0 + 0. 80. 1- 0. 7 - 1. 2 - 1. 7 - 1. 7 - 1. 2 - 0. 7 - 0. 5 - 0. 4 - 0. 4 - 0. 4k风压沿圆柱表面的分布关于风向方向对称. “+ ”为压力,“- ”为吸力.由于体形系数按每隔 15变化一次, 为方便施加风载, 将穹顶按每 15( 半片花瓣) 做一个组元来施 加风载.计算结果及结论5表 2穹顶在标准荷载作用下水平位移风荷载取值方法U m ax (mm )U m ax H位移限值按规范取按风洞试验值取9. 82911. 0882100003100001100011000由以上计算结果分析可得出结论:1、当按规范取风载值来计算时, 最大位移偏小, 若直接按此计算结果来处理结构, 则将会使结构偏 于不安全, 应由按风洞试验值取风载来计算的结果确定合理结构.2、无论风载是按规范取值还是按风洞试验取值, 最大位移都很小, 均满足规范要求的位移限值, 因 此本结构是安全可靠的.3、由于最大位移与规范位移限值相比仍有很大余地, 因此结构仍存在可调整减少钢用量之处, 不仅 可减少投资, 还可减少施工量, 加快施工进度. 但调整后应按调整后模型再次进行计算.此次 A N SY S 计算结果与广西综合设计院计算结果相差不大, 都说明了当前结构满足规范要求, 安 全可靠, 为结构施工图设计提供计算依据. 而在施工阶段, 应施工方的要求及本次计算结果第三条结论,对结构进行了调整, 减少了腹杆, 并重新进行了计算和施工图设计, 减少了投资及施工量.参考文献:李玉安, 郭彦林, 邓自奎, 等. 南宁国际会展中心穹顶钢- 索膜结构安装施工 J . 施工技术, 2004, (2) : 325.123456刘忠清, 南建林, 吴时适, 等. 温州会展中心倒锥塔和时光塔的有限元分析 J .A N SYS A PDL P ro g ramm e rs Gu ide. SA S IP , Inc, 1998.GB 50009- 2001, 建筑结构荷载规范 S . 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.建筑科学, 2001, (8) : 56262.钢结构设计规范 (GBJ 17- 88) S .中国建筑工业出版社, 1989.建筑抗震设计规范 (GB 50011- 2001) S . 中国建筑工业出版社, 2002.F in ite e lem en t ana ly s is of re t icula ted she ll stee l truss- f ilm struc turef or the dom e of Nann in g Exh ib it ion Cen ter un der w in d loa dL U O Y u e2jin g1 , Q IN R o n g1 , L IA N G H an 2ji2 , P EN G W en 2li1 , X IE K a i2zho n g1(Co llege o f C iv il and A rch itec tu ra l E ng inee r ing, Gua