广东省博物馆新馆结构分析.pdf

第37 卷 第 9期建 筑 结 构2007年 9 月 广东省博物馆新馆结构分析 李 娜 王华林 向 前 陈 星 广东省建筑设计研究院 广州 510010 提要 广东省博物馆新馆采用新颖的大跨度悬挂结构体系 结合该结构的特殊性 采用国内外几个大型的 有限元程序MIDAS GEN ETABS PMSAP 等进行整体计算 各项计算参数以及计算模式都进行了仔细分析后再 行选用 除普通的计算模式外 还对施工加载 温度效应 预应力 阻尼器等作用进行了分析 另外还针对施工 过程进行了详细的计算分析 弹塑性分析方面采用ABAQUS 进行计算 对上部的空间钢桁架及其节点进行了 ANSYS 分析 从计算结果来看 结构抗震性能良好 主要控制指标均满足规范要求 具有足够的安全性 多个 分析方法的结合 确保工程做到 安全 经济 合理 关键词 大跨度悬挂结构 整体计算 计算模式 弹塑性分析 节点分析 Structural Analysis of Guangdong Province Museum Li Na Wang Hualin Xiang Qian Chen Xing The Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province Guangzhou 510010 China Abstract The novel long span suspension structure system is adopted in Guangdong Province Museum Considering the particularity in structure the integral analysis is performed with several large scale FEM software from home and aboard e g MIDAS GEN ETABS PMSAP etc Each computation parameter and pattern is carefully analyzed before selection Besides ordinary computation pattern construction loading temperature effect pre stressed dampers are all involved moreover construction stage loading simulation is carried The elasto plastic analysis is finished with ABAQUS the upside spatial steel truss and thenodeanalysis is computed withANSYS Seeing from the calculation result aseismicperformance of is well and the primary control target satisfies the standard request The structure has enough safety Integral computation methods guarantee the solution to be safe economical and reasonable Keywords long span suspension structure integral analysis analysis pattern elasto plastic analysis node analysis 1 计算概况 广东省博物馆新馆采用了国内外应用不多的大跨 度悬挂结构体系 该体系的资料相对较少 可以借鉴的 经验不多 结合结构自身的特殊性 主要承重构件相 对较少 必须尽可能准确地分析结构在地震作用下的 反应 找到结构的薄弱部位 在初步设计阶段采用 MIDAS GEN V6 9 1 进行了静力弹塑性分析 图 1 施 工图阶段借助于非线性分析程序 ABAQUS 进行计算 计算结果与模拟地震振动台试验结果基本吻合 为获得顶部桁架的受力性能及工作状态下的组合 截面的应力分布 对其进行了 ANSYS 的整体分析计 算 计算内力取自结构整体计算的不利组合 针对结 构的不同受力状态进行分析 取实际截面 包括钢结构 构件 矩形钢管混凝土构件和带预应力的构件 另外 对工程中一些受力复杂的节点也进行了有限元分析 2 整体计算 建筑结构设计安全等级为一级 结构重要性系数 0 1 1 抗震设防类别为乙类 场地类别为 类 工 程建筑场地抗震设防烈度为 7 度 设计基本地震加速 度值为 0 10g 设计地震分组为第一组 水平地震影响 图 1 广东省博物馆新馆MIDAS 计算模型 系数最大值为 0 08 反应谱特征周期 Tg 0 35s 阻尼 比取 0 035 并根据大跨度长悬臂悬吊结构的特点 考 虑竖向地震作用 根据 广东省实施 高层建筑混凝土 结构技术规程 JGJ3 2002 补充规定 当结构设计使 用年限为 100 年时 地震作用乘以 1 35 的系数 根据 工程场地地震安全性评价报告 工程场地三个概率 水平的特征参数见表 1 地震作用计算采用的抗震设 防烈度为 7 度 抗震构造措施采用的设防烈度为 8 度 实际计算时 按 50 年及 100 年计算 其中 50 年时分别 按水平地震影响系数最大值为 0 08 和0 092 6计算 而 48 三个概率水平的特征参数 50年 表 1 超越概率 63102 max 0 092 60 251 60 435 0 Tg s 0 400 550 70 100年时分别按水平地震影响系数最大值为 0 108 和 0 125 计算 根据 建筑结构荷载规范 建筑物对风荷载作用 较为敏感 计算时风荷载采用按 100 年重现期确定的 基本风压值 0 6kN m2 地面粗糙类别为 C 类 根据广 东省建筑科学研究院编制的 广东省博物馆新馆风洞 动态测压试验报告 结构整体的风荷载体型系数约为 0 8 1 1 在整体计算时风荷载体型系数按规范取 1 3 根据试验报告的结果 立面上凹凸尺寸较大的部 位以及结构转角处局部风压系数较大 最大达 5 0 因 此在进行幕墙设计以及作为幕墙主支撑骨架的空间钢 架的计算时 须考虑各个部位的实际风压系数 整体计算采用多种软件 所有的计算均在弹性楼 板假定下进行 梁板单元按实际考虑 除 ABAQUS 在计 算时模拟了实际剪力墙内的内置钢管 其他程序在计 算时未考虑钢管的作用 2 1 振型分解反应谱法 振型分解反应谱法计算结果见表 2 3 不同荷载 作用下结构的层间位移均不相同 此处仅给出最大位 移值 结构在风荷载作用下的层间最大位移 1 9 999 在地震作用下的层间最大位移为1 1 593 MIDAS GEN ETABS V8 50 整体计算的基底剪重比在 x 向分别为 1 667 1 768 在 y 向分别为 1 792 1 734 MIDAS GEN ETABS整体计算周期 s 表 2 周期MIDAS GENETABS振型 T1 1 143 801 171 26x 平动 T2 1 091 461 109 36y 平动 T30 966 300 992 62扭转 T40 728 330 708 51x 平动 T50 713 170 696 09y 平动 MIDAS GEN ETABS整体计算层间刚度比表 3 层位 MIDASETABS x 向y 向x 向y 向 薄弱层 调整系数 首层3 663 553 863 751 0 层21 691 692 132 151 0 层31 191 181 251 081 0 层3 夹层2 222 562 242 641 0 层40 710 830 780 961 15 层51 01 01 01 01 0 注 表中数值为本层侧向刚度比相邻上层侧向刚度的 70 或其 上相邻三层侧向刚度平均值的 80 中的较大者 计算结果显示 除层 4 5 的层间刚度比不满足规 范规定的数值外 其余各项指标均满足规范要求 工 程结构体系与一般形式的结构体系不同 从受力来看 荷载需先传至顶部悬臂桁架 再通过桁架传至混凝土 剪力墙 重心较高 而作为悬挂体系的重要构件 顶部 桁架的强度和刚度都很大 其下部楼层与本层之间的 层间刚度比对工程来说意义不大 要说明的是 目前 规范对结构总体指标的控制是以刚性楼板假定为前提 的 由于工程的特殊性 所有的计算均在弹性楼板假定 下进行 各项指标按规范参考执行 在整体计算时 考虑顶层桁架内浇灌高强混凝土 并与灌混凝土之前的结果进行了对比 计算结果如表 4 所示 从计算结果可以看出 桁架内浇灌混凝土后 刚度大幅提高 悬臂端挠度减少 20 左右 桁架内灌混凝土前后位移对比表 4 工况未灌混凝土灌混凝土减少位移 层5 角桁架端点215 241177 07617 73 层5 中桁架端点150 962120 79819 98 注 位移取恒 活载荷载组合下的竖向位移 mm 另外 在整体计算中 考虑温度 预应力等对结构 的作用 分不同工况进行计算对比 利用 MIDAS 自带 的温度模块及预应力模块进行计算 计算结果见表 5 6 从计算结果可以看出 虽然室内外温差会导致结构 有较大的变形 但是其对应力的影响并不大 施加预应 力后不仅能减小悬臂端的挠度 更能有效减小受拉杆 件的拉应力 为桁架提供了较大的安全储备 考虑温度 预应力等不同工况位移表 5 工况正常状况 室外升 温 20 施加 预应力 预应力减少 位移 层5 角桁架端点177 076217 700154 43712 8 层5 中桁架端点120 798145 99495 83620 7 注 位移取恒 活载荷载组合下的竖向位移 mm 考虑温度 预应力的桁架应力表 6 工况 正常 状况 有预应力 应力降低 升温 20 升温 预应力 应力降低 最大拉应力260 93193 5425 9270 04202 1425 2 最大压应力 257 24 247 104 0282 58257 019 0 注 应力取恒 活载荷载组合下的桁架内最大应力 MPa 2 2 弹性动力时程分析 结构采用多遇地震下的弹性动力时程分析方法进 行了补充分析 从 广东省博物馆新馆工程场地地震 安全性评价报告 提供的 3 个技术孔共 12 条地震波中 选取 3 条 USER1 USER2 及 USERL3 输入MIDAS 进行弹 性动力时程分析 每条地震波计算所得的结构底部剪 力与振型分解反应谱法求得的底部剪力结果见表 7 三条地震波波形曲线相差不大 USER1 的地震波 形 50 年 如图 2 所示 计算的层剪力时程见图 3 49 反应谱法与时程分析法计算的底部剪力表 7 方向反应谱分析USER1USER2USER3 x2 2531 8191 8031 796 y2 5242 2182 0781 959 每条地震波计算所得的结构底部剪力大于振型分 解反应谱法求得的底部剪力的 65 三条地震波计算 所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法求 得的底部剪力的 80 满足 高层建筑混凝土结构技 术规程 第 3 3 5 条要求 2 3 静力弹塑性 Pushover 分析 采用 MIDAS 进行了结构的静力弹塑性 Pushover 分析 在设置塑性铰的时候 只对主要的构件设置塑性 铰 次要构件不设置 具体位置为 在剪力墙上设置剪 力铰 在主桁架的弦杆及腹杆上设置弯曲铰 在楼层主 梁与剪力墙连接的部位设置弯曲铰 在吊杆上设置轴 力铰 以位移为控制量 根据 建筑抗震设计规范 第 5 5 5 条 结构薄弱层的弹塑性层间位移应小于 1 120 在计算时假定结构的位移限值为 0 5m 约为结构总高 度的 1 100 计算结果见图 4 图 2 USER1 50 年 地震波形 计算中采用了与结构的反应谱分析法得出的楼层 惯性力一致的侧向荷载分布 分 10 步施加荷载 并分 别进行了 x y 方向的静力弹塑性计算 在静力弹塑性计算中 塑性铰最先出现在剪力墙 中并迅速发展 外围的斜拉板中也产生了少量塑性铰 而主桁架及楼面的主梁几乎没有出现塑性铰 这与结 构体系本身具有的特殊性一致 工程采用了悬挂结构 体系 在地震作用下 混凝土剪力墙承担了全部地震作 用 是结构唯一的抗震防线 且在 MIDAS 的计算中无 法考虑到内置钢管所起到的作用 根据静力弹塑性计 算结果 结构体系中的钢结构部分 包括桁架 吊杆及 主次梁 具有足够的安全度 而依靠单纯的钢筋混凝土 剪力墙无法满足结构大震不倒的要求 需进一步通过 动力弹塑性分析及振动台试验来验证工程所采用的内 图3 地震波USER1作用下结构楼层剪力 图 4 静力弹塑性分析结果 置钢管混凝土剪力墙是否具有足够的延性 以确保结 构满足抗震性能的要求 2 4 动力弹塑性分析 动力弹 塑 性 分 析 采 用 大 型 通 用 有限 元 软 件 ABAQUS6 5 进行 8 计算结果显示 内置钢管混凝土 剪力墙作为抗震的主要构件 其钢筋混凝土部分为第 一道防线 当第一道防线破坏后 内置的钢管混凝土 柱作为第二道防线参与抗震 使得该结构体系具有较 好的抗震性能 满足大震不倒的设计水准 3 局部计算和节点计算 为进一步获取顶部桁架的受力特性 确保结构安 全 对顶部桁架进行了局部分析和部分重要节点的有 限元分 析 桁 架 整 体 计 算 中 各 杆 件 采用 梁 单 元 Beam188 进行模拟 荷载取自结构整体分析中不同工 况下桁架的受力 图 5 为顶部桁架组合作用 无预应 力作用 下的应力 图 5 顶部桁架组合作用 无预应力 下的应力 MPa 顶部桁架采用的是钢管混凝土预应力桁架 具有 三种不同属性的材料 包括钢材 混凝土和预应力索 使得部分节点设计较为复杂 应力也相应复杂 除进 行节点试验以外 节点有限元分析必不可少 有限元分 析中节点采用实体单元 Solid45 进行模拟 从计算结果 来看 除部分位置出现应力集中外 采用相应构造措施 50 予以处理 节点设计是安全合理的 较好地满足了结 构设计的要求 取得了较好的效果 部分节点分析结 果见图 6 7 图 6 顶部桁架上弦杆第二道预应力索转向节点应力 MPa 图 7 桁架下弦与吊杆连接 含第一道预应力索 节点应力 MPa 4 计算结果与试验结果对比 根据模拟地震振动台试验结果 结构总体上满足 设计目标的抗震设防要求 在 7 度小震作用下 结构反 应处于弹性阶段 在 7 度中震作用下 结构仅在层 2 底 及层 4 顶剪力墙某些部位出现水平横向裂缝 在 7 度 大震作用下 层 2 底及层 4 顶剪力墙已出现的裂缝进 一发展 并出现了新的水平裂缝 而钢结构均未超过 其屈服应变 与静力弹塑性分析和动力弹塑性分析的 结果吻合 根据顶层单榀钢桁架试验结果 桁架的极限承载 力大于设计荷载的 2 倍 且当所加荷载达到设计荷载 时 试件仍处于弹性变形阶段 另外 灌浆后结构的刚 度可提高 20 左右 与结构整体计算结果吻合 5 结语 用MIDAS ETABS PMSAP ABAQUS 等多种程序对 结构进行静力 动力分析 弹性 弹塑性分析 对关键部 位的局部分析和节点分析 形成了完整的结构计算分 析整体 从计算结果来看 该结构抗震性能良好 具有 足够的安全性能 1 在风荷载及地震作用下各构件的强度 变形均 满足有关规范的要求 2 弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之 比满足 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2002 要求 3 分析结果满足 高层建筑混凝土结构技术规 程 JGJ3 2002 第 4 3 5 条关于复杂高层建筑各楼层 的最大层间位移不应大于该楼层两端层间位移平均值 的 1 5 倍的规定 4 弹性动力时程分析的结果满足 高层建筑混凝 土结构技术规程 第 3 3 5 条每条时程曲线计算所得 的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法求得的底部 剪力的 65 三条时程曲线计算所得的结构底部剪力 平均值不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的 80 的要求 5 静力 动力弹塑性分析找出了结构抗震的薄弱 部位 主受力构件能满足小震不坏 中震可修 大震不 倒的三水准要求 总之 各个分析方法的结合使用才能确保复杂结 构做到安全 经济 合理 参考文献 1 钢结构设计规范 GB50017 2003 S 北京 中国计