南京四方现代艺术博物馆钢结构力学分析.pdf

第12 卷第1 期 2006 年3 月 空 间 结 构 SPATIAL STRUCTURES Vol 12 No 1 Mar 2006 收稿日期 2005 09 12 基金项目 教育部科学技术研究重点项目资助 105083 作者简介 黎德琳 1976 男 安徽桐城人 硕士研究生 主要从事空间结构 钢结构研究 南京四方现代艺术博物馆钢结构力学分析 黎德琳 尹凌峰 赵才其 东南大学土木工程学院 江苏 南京 210096 摘 要 南京四方现代艺术博物馆建筑造型新颖 极富想象力 但结构外形很不规则 特别是空中展廊部分为双向 长悬臂钢结构 支承条件极为不利 结构设计难度较大 本文着重探讨了该馆钢结构体系的受力特性 并应用有限 元软件分析了整体结构的静力性能以及关键构件 典型节点的受力性能 关键词 双向长悬臂体系 异形空间框架体系 抗扭环 钢板组合剪力墙 中图分类号 T U393 3 文献标识码 A 文章编号 1006 6578 2006 01 0032 05 Mechanical analysis of the steel structure for Nanjing Si Fang Modern Art Museum LI De lin YIN Ling feng ZHAO Cai qi College of Civil Engineering Southeast University N anj ing 210096 China Abstract The building shape of Nanjing Si Fang Modern Art Museum is novel and very fancy but its figuration is quite irregular with bidirectional long cantilevers as a floating gallery which makes the steel structure design difficult In this paper the bearing character of the steel structure was discussed then the static performance of the whole structure and the bearing ability of some key elements and typical nodes were analyzed with FEM software Key words system with bidirectional long cantilever irregular space frame system anti twist rings steel plate seismic wall 1 引 言 南京四方现代艺术博物馆 后简称为 四方艺术 馆 为国内目前唯一定位于现代艺术的博物馆 由 美国建筑大师斯蒂文 霍尔设计 建筑师希望 博物 馆由一片平行透视的空间和黑色的夯土院墙构成 其上漂浮着的是一个半透明的结构体 博物馆总建筑面积近4000m 2 主体采用黑白两 色 形状颇似水墨画中的中国古典楼阁建筑 其底层 由一片平行透视的空间和黑色竹模板混凝土构成 在此之上的直线通道逐步上升成为一条蜿蜒环绕的 路径 如漂浮着一个透明的结构体 而顶端则提供了 一个眺望整个南京市的空间 如图 1 所示 建筑师 的设计旨在连接过去和未来 虽然四方艺术馆的建 筑造型极富创意 但其中被设计为 漂浮透明体 的 空中展廊钢结构体系极不规则 支承条件很不利 本文采用结构设计与分析软件SAP2000 对其 进行线弹性静力分析 深入研究该钢结构建筑的工 作性能 并应用通用大型有限元软件 ANSYS 分析 抗扭环节点的受力性能和钢板组合剪力墙的整体稳 定性能 以加深对不规则结构受力性能的认识 得出 对该类工程设计有价值的建议 并为日后进行类似 的工程设计提供经验借鉴 图 1 南京四方现代艺术博物馆效果图 2 结构体系介绍与整体分析 2 1 结构体系及传力路径分析 2 1 1 概述 图2 所示即为四方艺术馆之空中展廊部分的模 型 主要由展廊层及支承构件组成 其平面布置如图 3 所示 上部的展廊层可分成四段 支承在相距较远 的电梯井 楼梯井和钢板组合剪力墙三个部件上 展 廊层结构平面呈深 C 形 处于结构的顶部 图2 钢结构三维模型 图 3 展廊层支承构件平面布置图 由图可见 从结构学的角度来说 该空中展廊结 构是一个在平面和立面上都非常不规则的双向长悬 臂结构 掌握结构体系特点 使结构传力直接高效 明确各构件的结构功能 是处理此类不规则结构的 主要方向 同时 这类结构的关键构件和连接部位的 受力状况一般都很复杂 如何改善它们的受力性能 保证结构与构件的稳定 做好刚度控制 是该类结构 设计的关键点所在 2 1 2 展廊层 该展廊层的一个显著特点就是其位置的顶置和 支承的稀少与分离 从而竖向荷载集中作用在整个 结构的顶端 而且支承连接处的受力集中而复杂 其 次 展廊层的悬臂长度相对很大 竖向和横向都存在 着较大的悬臂作用 承受风和地震作用时将会产生 侧向力 另一个特点是它的 C 形平面 而且楼面和 屋面是具有1 20 坡度的倾斜面 显然这种平面构形 对结构整体受力很不利 所以在设计中采用带支撑的空间框架方案 这 样结构的自重较轻 而且能提供足够的空间刚度 即 首先由 H 型钢形成封闭的矩形抗扭环 如图 2 所 示 再纵向连接各道抗扭环组成空间框架 并于空 间框架的立面和上下平面设置支撑 最终形成带支 撑的异型空间框架体系 其巨大的空间刚度能有效 地协调各构件的变形 压型钢板钢筋砼组合楼板与楼面下的支撑共同 加强了楼面的平面内刚度 能有效地把风力以及地 震的惯性力转移到主要的抗剪构件上 结构最顶端 的屋面采用轻质屋面板 分析中不考虑其刚度作用 2 1 3 支承结构 该建筑的使用空间 展廊层 突出于整个结构 的顶端 电梯井和楼梯井构成其垂直交通系统 在结构 上 正是巧妙地利用它们和钢板组合剪力墙作为上部 展廊结构的支承部件 这三个支承构件的下部穿过地 下室支承于地下的桩基础上 与它们相连的地下室墙 体和顶板将它们连成整体 并有效地减小了它们各自 的长细比 所有竖向支承构件向上贯穿展廊层 以避免 在展廊层楼面处中断而形成更大的刚度突变 1 刚度相对较弱的钢板组合剪力墙的处理应予 充分重视 充分考虑建筑师要求 该剪力墙应尽可能 薄 而作为竖向支承和横向抗推构件 其空间尺度显得 较为柔细 加强该钢板组合剪力墙的抗侧移刚度 使它 与电梯井和楼梯井的刚度相差不至于悬殊过大而利于 整个结构的抗扭 则将有效地提高结构的抗震性能 实 际设计中 墙的两边采用 800 500 钢管混凝土劲性 边柱 其间于两侧用两片25mm 厚钢板连接起来 并于 空腔中浇筑混凝土形成带劲性边柱的钢板组合剪力 33 第1 期黎德琳 等 南京四方现代艺术博物馆钢结构力学分析 墙 3 其截面构造如图4 所示 图4 钢板组合剪力墙的截面构造图 在钢管砼柱中隔一定距离设置开有砼浇筑孔和 透气孔的横膈板 剪力墙的外侧钢板与边柱翼缘钢 板伸出的耳板间采用栓焊组合连接 在剪力墙钢板 内侧设置防止局部失稳的水平和垂直加劲肋 并布 置密排栓钉 使钢板与混凝土间有效传力 在栓钉顶端 点焊钢筋网片以加强墙内砼的抗裂能力 同时在墙内 设置强劲的暗撑将边柱更有效地连接起来以有利于整 体受力 4 而且 方钢管砼劲性边柱将与多根钢梁或斜 撑连接 并考虑到梁的接头位置最好离开节点核心区 以利于抗震 采用了如图5 所示的节点形式 图5 方钢管砼柱与 H 型钢梁的连接节点示意图 2 电梯井的四个角柱设计成钢管混凝土柱 用H 型钢横梁和方钢管斜撑联系起来 形成局部的 带支撑框架体系 具有可靠的抗推能力 电梯井的立 面及方钢管砼柱基础如图6 所示 图 6 电梯井及方钢管砼柱基础示意图 3 楼梯井处的展廊层体量最大 集中荷载也 最大 采用刚劲的钢筋混凝土剪力墙井筒形成楼梯 井 以提供足够大的抗推刚度和抗扭刚度 若把该井 筒看成箱形截面柱 截面为6000mm 2900mm 壁 厚为 400mm 500mm 楼梯平台就是其内置加劲 肋 由于截面面积较大 轴压比相对较小 从而保证 该钢筋砼井筒具有足够的延性 2 1 4 结构体系传力路径分析 在竖向荷载作用下 上部空中展廊相当于空腹 折梁 有悬臂段 也有简支段 由联系抗扭环的纵向 杆件的轴力抵抗由竖向荷载引起的整体弯矩 抗扭 环和斜撑抵抗扭矩和剪力 也可以更简单地将展廊 的每个侧面看成平面桁架 每榀桁架各承受一半的 整体弯矩和剪力 但折梁受面外荷载作用必然在截 面内产生扭矩 如图7 所示的折梁 抗扭环 隔离体 折梁受到面外荷载P 作用 b1 b2截面上的弯矩M1 M2必须由b2 b 1截面上的扭矩T2 T 1来平衡 即应 有 M1 T2 M2 T1 所以 展廊层在竖向荷载作用 下的扭矩将由抗扭环承担 最后 展廊层即空腹折梁 将自己承担的弯矩 扭矩和剪力以弯矩和轴力形式 传给三个支承部件 电梯井 楼梯井和钢板组合 剪力墙 并由它们传给桩基础 图7 抗扭环受扭示意图 在横向荷载作用下 可以简单地将展廊层的上 下平面看成C 形平面桁架 把由它们承担的荷载作 用直接传递给支承构件的上下支点上 再由它们以 倾覆力矩和剪力的形式传给桩基础 通过以上分析可以看出 结构的传力路径决定 了抗扭环是展廊层结构的主要承载构件之一 2 2 整体分析 2 2 1 有限元模型 本文采用结构分析与设计软件SAP2000 建立 有限元模型 根据设计条件和规范要求 深入进行 了整体结构的线弹性静力分析 模型中采用梁单元 模拟所有梁 柱和斜撑构件 采用壳单元模拟楼板 楼梯井壁和钢板组合剪力墙 但钢板组合剪力墙模 型中不考虑填充砼的作用 对楼面梁单元设置插入 点 使楼板偏移到正确位置 所有基础都假定为绝对 固接 对于钢管砼柱 利用软件的截面自设计功能来 34空 间 结 构 第12 卷 模拟实际的截面形式和材料组成 虽然展廊层的楼 面组合楼板与楼面内的支撑能共同工作 但考虑到 楼面凹进深度较大 在分析中未将楼面设置成平面 内无限刚性的横隔板 除消防疏散楼梯钢材采用Q235B 以外 其它钢 结构构件用钢材为 Q345 型钢型号尽量按 GB T 11263 标准选用 必要时也可采用钢板组合截面 砼强度等级不低于C30 2 2 2 分析结果 经计算 在恒载与活载的最不利组合作用下 结构 的最大竖向挠度发生在悬臂部分 最大末端挠度为42 6mm 考虑到使用中的舒适性 按一般构件验算 挠跨 比为1 450 小于钢结构规范要求的1 400 限值 恒载 活载和风载对各类型构件所产生的最大 应力比见图8 从图中可以看出 恒载作用的比重较 大 而由于建筑受风面积不大 风载作用的比重较 小 显然 按照最不利荷载组合所产生的应力比满足 不大于 1 0 的要求 该结构初步设计的杆件承载力 符合规范要求 且钢管砼柱的轴压比满足相应规范 要求 当考虑多遇地震组合时 应力比值尚应考虑抗 震承载力调整系数 分析结果还表明 该结构在多遇 地震下的位移未超出规范要求 说明基本符合 小震 不坏 的抗震设防要求 在各种荷载及其组合作用 下 承载能力也基本符合要求 图 8 最大应力比堆积柱形图 3 两个关键问题的处理 3 1 抗扭环节点分析 为了检验这种节点的受力性能 本文用ANSYS 进行了分析 节点的模型与外载如图9 所示 3 1 1 建立模型 抗扭环是展廊层空间框架结构体系中承受剪力 和扭矩的重要构件 与环的角部节点连接的各构件 呈空间角度关系 而且各自的截面大小 翼缘厚度不 图 9 扭环节点空间受力图 同 如何构造出保证受力又方便施工的节点形式有 一定的难度 本结构采用图9 所示的典型节点形式 其中 a b 杆分别为环的竖柱和横梁 c d 为纵向钢 梁 e 为水平撑梁 f g 为竖向斜撑 通过柱顶的整 块钢板 局部有弯折 将各水平梁的上翼缘连接起 来 下部连接钢板与较高的横梁b 的下翼缘齐平 并 用30 斜板与较小的纵梁下翼缘过渡连接 不同厚度 钢板间 将较薄钢板局部补厚再剖口对焊 在AUT OCAD 建模过程中 由于实体间局部呈 较大的空间扭角关系 在作布尔运算后会产生很细 小的面或很短的线 这样的模型导入 ANSYS 后会 布尔运算出错或网格划分困难 而要顺利地建立有 限元模型 必须先检查出这些 坏 面 并设法去除它 们 本节点模型采用十结点四面体实体单元 经多次 查错纠错过程 划分单元网格后 总体包含52436 个 单元 坏 单元很少 3 1 2 施加荷载 在有限元模型中 为了弱化端部约束的影响 所 有杆件长度取截面高度的3 倍以上 在柱底施加固 接约束 在纵横梁的端头加上刚度无限大的块体 并 将力矩折算成一对力偶加在块体的两边以方便加载 并模拟平截面假定 3 1 3 分析结果 计算后的Mises 应力云图如图10 所示 在横梁 与竖柱腹板相交的阴角局部应力最大 为372MPa 而且主拉应力控制 所以建议在施工中该区域的焊 缝采用一级焊缝 并作局部加强对于竖柱翼缘与下 部连接板间的T 形焊缝 采用对接与角接组合焊缝 形式 其次 节点区柱腹板的应力较大 约200MPa 平面内的主剪应力为100 MPa 小于Q345 钢的抗剪 强度 另外通过考虑钢材塑性的非线性极限承载力计 算 得出横梁端部的荷载 位移曲线如图11 所示 可 以看出节点的延性很好 且其极限承载力为3 46 倍 35 第1 期黎德琳 等 南京四方现代艺术博物馆钢结构力学分析 使用荷载标准值 说明节点构造是安全合理的 图10 抗扭环节点Von Mises应力云图 图 11 横梁端部荷载 竖向位移曲线 3 2 钢板组合剪力墙稳定性分析 该结构中钢板组合剪力墙是结构的一个重要支 承构件 保证其稳定性是一个关键问题 为此 应用 ANSYS 软件对其单独进行了有限元稳定分析 在 有限元模型中 方钢管砼柱采用BEAM189 单元 利 用SHELL181 单元的层合材料功能定义复合截面 模拟钢板组合剪力墙的Sandwich 式构造 钢板组合 剪力墙的底部为固端 顶部根据其上整体结构的刚 度 设置成弹性支座 根据整体结构计算文件 提取 出最不利内力施加在该墙的顶端 分析后得墙顶部的荷载 位移曲线如图 12 所示 可以看到 在一倍使用荷载作用下的侧移为5mm 层间 侧移角仅为1 3462 说明其平面内的抗侧移刚度很大 而且 在5 529 倍荷载组合作用下 结构未