東方藝術(shù)中心鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)抗震分析

東方藝術(shù)中心鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)抗震分析

1下部結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)在地震區(qū)域的大范圍內(nèi)，鑒于傳播的擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，不可避免地會(huì)給地震帶來一些負(fù)面因素。但可喜的是,在以前諸多的地震中還未出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)屋架整體垮塌的歷史記錄。究其原因主要是一般屋架僅用于支承屋面系統(tǒng),屋面荷載及自重都比較輕,而且空間結(jié)構(gòu)本身剛度較好,所以震害較小東方藝術(shù)中心屋蓋的承重結(jié)構(gòu)采用由正交鋼結(jié)構(gòu)桁架組成的空間結(jié)構(gòu)體系。桁架上、下弦桿軸線間距為3.1m,外包高度3.5m,懸臂端部上、下弦桿軸線間距為1.2m。同下部結(jié)構(gòu)一樣,屋蓋分成五個(gè)主要部分(一至五區(qū)),各分區(qū)間設(shè)置200mm寬的抗震縫,以滿足聲學(xué)、溫度變形及抗震要求(圖1、圖2)。各部分桁架最大長度分別為49.1m、62.2m、81.0m、49.1m、80.0m,支座間最大跨度分別為18m×24.85m、30.8m×40m、54m×60.8m、18m×24.85m、34.1m×54m,最大懸挑長度分別為10m、13m、13m、10m、13m。鋼桁架布置間隔一般為6m。中間部分鋼結(jié)構(gòu)由五區(qū)延伸并通過可滑動(dòng)支座與其他四部分連接。為了提高整個(gè)屋架的側(cè)向剛度,從而更加有效地傳遞水平荷載,根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際體型及跨度,在屋蓋的中間部分設(shè)置了正交的支撐系統(tǒng)。三區(qū)處體量較大,經(jīng)過計(jì)算,沿長跨設(shè)置了三道支撐。對(duì)于屋架不連續(xù)的五區(qū)則設(shè)置了兜通的支撐系統(tǒng)。屋架的高度在邊緣收小,為了明確桿件在弱軸方向上的計(jì)算長度,在桁架變高度處的下弦間增加了系桿(圖2)。整個(gè)屋架通過多種類型的支座支承在混凝土環(huán)板上。單向滑動(dòng)支座及多向滑動(dòng)支座采用抗震型球形鋼支座。每部分除四處固定支座及單向滑動(dòng)支座用于傳遞斜屋架的水平分力、地震力及風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力外,其余采用多向滑動(dòng)支座以消除溫度應(yīng)力的影響。2單模型和單全球模型的動(dòng)態(tài)計(jì)算2.1維結(jié)構(gòu)分析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用鋼結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜對(duì)屋架本身進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。在本設(shè)計(jì)中,為了能更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,建立了包括支承屋架的下部主體結(jié)構(gòu)及環(huán)板在內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)單獨(dú)整體模型及鋼屋架單獨(dú)模型(圖3),自編程序生成接口數(shù)據(jù)文件,利用ANSYS軟件進(jìn)行三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。在計(jì)算模型中,空間桁架弦桿及腹桿采用柱單元(考慮六個(gè)自由度),混凝土結(jié)構(gòu)采用殼單元,水平支撐采用只承受軸向拉力的索單元,并通過設(shè)置剛度極小但有重量的薄膜把屋面荷載傳遞到桁架的節(jié)點(diǎn)上。計(jì)算中假定所有桁架桿件為剛接,支撐與桁架連接為鉸接。2.22.2.1單獨(dú)結(jié)構(gòu)模型的建立水平地震影響系數(shù):豎向地震影響系數(shù):反應(yīng)譜的選用:(1)包括混凝土筒體、環(huán)板和屋架在內(nèi)的單獨(dú)整體結(jié)構(gòu)模型考慮到混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的特性起主導(dǎo)作用,所以采用上海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜曲線(根據(jù)DBJ08-31-92選用),分別考慮(2)單獨(dú)模型鋼結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜(根據(jù)DBJ08-32-92選用)。2.2.2負(fù)荷組合形式未顯示負(fù)荷分量系數(shù)，僅顯示組合系數(shù)①②③④其中,2.32.3.1特征分析(1)從橫向動(dòng)力特征角度看,表現(xiàn)為第一、二元結(jié)構(gòu)的振型,其又分以下三種表1為各區(qū)前10個(gè)自振周期,表2為對(duì)應(yīng)振型統(tǒng)計(jì)表。圖4為各區(qū)前3個(gè)振型形態(tài)圖。振型大體分為4類:水平振型(縱向一、四區(qū)及二區(qū)的桁架跨度較小,支座間距分別為18m×24m、36m×46m,跨內(nèi)桁架剛度較大,周期最短。懸臂長度相對(duì)較大,最大處分別為10m、13m,懸臂部分剛度相對(duì)跨中較小。因此,前兩個(gè)振型主要表現(xiàn)為懸臂處的豎向振型。由于短向跨布置為單向滑動(dòng)支座,且可滑動(dòng)方向?yàn)闄M向,所以,第三振型表現(xiàn)為橫向水平振型(可滑動(dòng)方向)。三區(qū)桁架跨度大,支座間距為54m×62m,接近于大跨(60m)的振動(dòng)特征?？鐑?nèi)桁架剛度較弱,荷載很大,自振周期最大。懸臂長度最大處為13m,剛度雖小,但大于跨內(nèi)剛度。由于在短向也布置了單向滑動(dòng)支座,因此,第一振型為橫向水平振型(可滑動(dòng)方向)。一般振型還是以豎向振型為主,高階振型伴隨有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生,在第五振型出現(xiàn)了縱向水平振型。五區(qū)的固定支座設(shè)置在位于整個(gè)屋蓋中間偏上的舞臺(tái)周圍的剪力墻上。同三區(qū)一樣,單向滑動(dòng)支座的設(shè)置使第一振型為橫向水平振型。一般振型還是以豎向振型為主,高階振型伴隨有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生?？臻g桁架結(jié)構(gòu)的周期相當(dāng)密集,通過分析,高振型的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在固定支座附近桁架的腹桿及某些弦桿上(主要由豎向振型提供),因此,在動(dòng)力分析時(shí)需要足夠的振型數(shù)以滿足精度的要求。以三區(qū)為例,在橫向地震力作用下,由于受到短跨橫向弦桿的約束,軸力最大值出現(xiàn)在縱向桁架的跨中的弦桿上,腹桿出現(xiàn)在固定支座附近。由于第一振型為橫向振型,因此當(dāng)振型數(shù)豎向振型在前10個(gè)振型中占了70%或更多。在地面運(yùn)動(dòng)的豎向分量的作用下,與結(jié)構(gòu)的豎向振型對(duì)應(yīng)的地震作用大。因此,對(duì)豎向振型就應(yīng)給予特別注意豎向地震力作用下,上弦最大軸力出現(xiàn)在跨中,腹桿出現(xiàn)在短跨支座附近,下弦最大軸力出現(xiàn)在固定支座附近,其豎向地震內(nèi)力系數(shù)達(dá)22%。因此,盡管是7度地震設(shè)防區(qū),部分桿件的豎向地震內(nèi)力系數(shù)還是很高。豎向地震作用不能忽略。一~五區(qū)桁架的最大懸挑長度為10~13m,等效簡支計(jì)算跨度為20~26m,遠(yuǎn)小于60m(《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ7—91)中跨度在60m以上稱為大跨度結(jié)構(gòu))。但是,由于其約束較少,導(dǎo)致各豎向振型被激發(fā)出來。從豎向振型分析可知,懸臂處占了大部分。因此,長懸臂處的桁架振動(dòng)特性應(yīng)特別注意。(2)不同下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析表4為單獨(dú)整體模型各區(qū)前10個(gè)自振周期,表5為對(duì)應(yīng)振型統(tǒng)計(jì)表。單獨(dú)整體模型的振型及周期與單獨(dú)模型相差很大。振型基本由下部結(jié)構(gòu)及鋼屋架共同組成,且下部結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)更大。因此運(yùn)用單獨(dú)整體模型的計(jì)算方法更合理。在考慮下部結(jié)構(gòu)剛度的情況下,結(jié)構(gòu)的周期普遍增大,第一振型均為橫向水平振型或加豎向振型,主要體現(xiàn)了下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。一區(qū)下部結(jié)構(gòu)較柔,單獨(dú)模型與單獨(dú)整體模型的振型相差最大,出現(xiàn)了剛體的平移,且單獨(dú)整體模型出現(xiàn)了一些扭轉(zhuǎn)振型。二區(qū)、五區(qū)下部結(jié)構(gòu)剛度較大,周期變化相對(duì)最小。二區(qū)第一及第六振型以橫向水平振型為主,這與屋架的約束方式及下部剪力墻的布置方向相符,豎向振型主要發(fā)生在懸臂部分。五區(qū)第一振型為橫向水平振型,第二振型為縱向水平振型,第三振型為扭轉(zhuǎn)振型,主要體現(xiàn)了下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,豎向振型主要發(fā)生在懸臂部分及與之相對(duì)應(yīng)的跨間部分的桁架豎向振動(dòng)時(shí)。三區(qū)下部結(jié)構(gòu)的剛度較為均勻,第一、四、五振型均表現(xiàn)為橫向水平振型,第二、六、十振型表現(xiàn)為縱向水平振型,第七、八振型表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)振型,豎向振型主要發(fā)生在懸臂部分及與之相對(duì)應(yīng)的跨間部分的桁架豎向振動(dòng)時(shí)。振動(dòng)方式與約束形式有密切關(guān)系。考慮到下部結(jié)構(gòu)側(cè)移時(shí)水平振型均出現(xiàn)在低頻階段(其原因在于振動(dòng)時(shí)各約束點(diǎn)的振幅不同,而桁架網(wǎng)格又易變形)。低頻段振型的貢獻(xiàn)是地震內(nèi)力組合中的主要部分,因此,分析水平地震內(nèi)力時(shí)必須考慮下部結(jié)構(gòu)的剛度,它將極大地影響空間桁架的水平地震內(nèi)力。單獨(dú)整體模型的整體空間工作特性明顯,下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大,剛度取值要符合實(shí)際情況,否則,計(jì)算結(jié)果的誤差會(huì)較大。圖5、6為支承結(jié)構(gòu)剛度不同時(shí),在通過分析,高振型的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在桁架支座邊緣附近的腹桿及某些弦桿上(主要由豎向地震力引起),因此,在做動(dòng)力分析時(shí)需要考慮更多的振型數(shù)(本工程選取30個(gè)振型),以滿足精度的要求。單獨(dú)整體模型的上下弦豎向地震內(nèi)力分布規(guī)律與單獨(dú)模型大體相同,弦桿在支座附近桿件內(nèi)力最大,向自由端逐漸減小。腹桿豎向地震內(nèi)力為支座附近大,向遠(yuǎn)處逐漸減小。2.3.2屋頂結(jié)構(gòu)的地震荷載以三個(gè)鋼框架結(jié)構(gòu)的屋蓋桿件的最大軸力(1)單模型單獨(dú)模型主要體現(xiàn)豎向地震性質(zhì),空間桁架的上下弦桿在(2)單全球模型單獨(dú)整體模型主要體現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)水平動(dòng)力特性。上下弦桿內(nèi)力分布在2.3.3水平支撐的設(shè)置因?yàn)榭臻g桁架上、下弦桿的節(jié)點(diǎn)上都承受載荷,所以上、下弦桿上都存在水平地震力的傳遞,從而需同時(shí)在上下弦平面內(nèi)設(shè)置水平支撐。結(jié)合支座的滑動(dòng)方向,將水平支撐設(shè)置在跨中以減少地震荷載下的水平位移。從表7中可知跨中水平支撐體系的設(shè)置對(duì)于提高鋼桁架的水平剛度是很有效的。2.3.4主要振型中多因素從表8比較可知:單獨(dú)整體模型的水平地震力明顯大于單獨(dú)模型。這個(gè)結(jié)果與振型分析的結(jié)果是一致的。單獨(dú)整體模型的平動(dòng)成份多,而且均出現(xiàn)在前幾個(gè)主要振型中。單獨(dú)模型則豎向成分參與多些。由于屋架位于高處,下部支承結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生慣性效應(yīng),如果在設(shè)計(jì)中僅用單獨(dú)模型計(jì)算,會(huì)過小的考慮水平地震力,從而使支座的設(shè)計(jì)偏不安全。因此,空間桁架的水平抗震驗(yàn)算應(yīng)該選用整體模型,而且下部結(jié)構(gòu)體系模擬的真實(shí)性將直接影響到計(jì)算精度。3在這五個(gè)區(qū)域的全球模型中3.1模型、荷載不同五個(gè)區(qū)整體計(jì)算模型見圖7。其中各區(qū)模型、荷載不變。中間區(qū)域:一、四區(qū)屋架通過滑動(dòng)支座支承于五區(qū)屋架上,五區(qū)通過滑動(dòng)支座支承于二、三區(qū)屋架上。3.2結(jié)構(gòu)振動(dòng)的獨(dú)立性分析表9為整體模型各振型、周期與單獨(dú)整體模型對(duì)應(yīng)關(guān)系。從結(jié)果中可知兩者非常接近。從振型分析中可知:整體模型的第一振型與三區(qū)的單獨(dú)整體模型的第一振型完全相同,第三振型與一區(qū)單獨(dú)整體模型的第一振型完全相同。由于結(jié)構(gòu)采用了分縫方式,中央連接區(qū)域也設(shè)計(jì)了多向滑動(dòng)支座,使得五個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相互影響不大,即表現(xiàn)了相當(dāng)?shù)莫?dú)立性。因此,各區(qū)使用自身的單獨(dú)整體模型分別來進(jìn)行抗震分析,其結(jié)果是可靠的。3.3豎向位移最大的土壤壓力在水平地震力作用下,荷載最大、剛度最弱的三區(qū)水平位移最大,而豎向位移最大值則出現(xiàn)在五區(qū)懸臂端。表10為在水平地震力作用下,三區(qū)桁架單獨(dú)整體模型及整體模型位移最大值對(duì)比,從結(jié)果對(duì)比可知單獨(dú)整體模型計(jì)算結(jié)果偏安全。3.4計(jì)算結(jié)果安全性分析表11為水平地震力作用下單向滑動(dòng)及固定支座最大剪力的比較結(jié)果。單獨(dú)整體模型的地震力計(jì)算結(jié)果要比整體模型大。究其原因是單獨(dú)整體模型中的振型參與數(shù)較多。因此,采用單獨(dú)整體模型計(jì)算結(jié)果安全性更大些。在水平地震力作用下,荷載最大、剛度最弱的三區(qū)桿件內(nèi)力最大,最大桿件內(nèi)力出現(xiàn)的部位兩種模型情況相同。表12為在水平地震力作用下,三區(qū)桁架單獨(dú)整體模型及整體模型桿件內(nèi)力計(jì)算值對(duì)比,從結(jié)果對(duì)比可知單獨(dú)整體模型計(jì)算結(jié)果偏安全。4單獨(dú)整體模型與單獨(dú)模型的比較本工程雖在7度抗震設(shè)防區(qū),但屋架的荷載作用較大,且屋架的框架具有大跨、長懸臂、支座較特殊的特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行豎向、水平地震的抗震驗(yàn)算。(1)空間雙向正交鋼結(jié)構(gòu)桁架周期相當(dāng)密集。在做動(dòng)力分析時(shí)需要考慮更多的振型數(shù)以滿足精度的要求(本工程取30個(gè)振型)。(2)空間雙向正交鋼結(jié)構(gòu)桁架的振型大體分為四類:水平振型,豎向振型,扭轉(zhuǎn)振型及局部振型。對(duì)于單獨(dú)模型,豎向振型在前10個(gè)振型中占了70%,且主要由懸臂振動(dòng)引起,所以,盡管是7度抗震設(shè)防區(qū),設(shè)計(jì)時(shí)還是考慮將豎向地震作用參與組合。單獨(dú)模型水平振型主要與單向滑動(dòng)支座的滑動(dòng)方向、布置位置有關(guān),與一般四邊支承的網(wǎng)架振動(dòng)特性有較大區(qū)別。單獨(dú)整體模型的周期及振型與單獨(dú)模型相差較大。振型由下部結(jié)構(gòu)、鋼屋架及其支座約束方式共同決定,且下部結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)更大。整體模型的周期和振型與單獨(dú)整體模型幾乎一致,各區(qū)間的耦合影響很小。因此采用單獨(dú)整體模型作為計(jì)算依據(jù)更為合理、安全。(3)由于單獨(dú)整體模型的空間工作特性明顯,下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及其質(zhì)量產(chǎn)生的慣性效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大,所以剛度取值要符合實(shí)際情況,質(zhì)量的施加位置要合理。否則,計(jì)算結(jié)果的誤差會(huì)較大。(4)單獨(dú)整體模型的