復(fù)雜復(fù)雜條件下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化研究

復(fù)雜復(fù)雜條件下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化研究

1主館區(qū)5所重慶國家博覽會(huì)中心項(xiàng)目位于重慶重慶區(qū)縣岳來市。它的形狀是一只逆風(fēng)飛翔的蝴蝶（圖1）。東西寬約800米，南北長約1500米。本項(xiàng)目主要由展館區(qū)、酒店、多功能廳、會(huì)議中心、商業(yè)區(qū)等5部分組成,總建筑面積約為60萬m2。其中,南展館區(qū)、多功能廳及會(huì)議中心鋁合金屋面面積約25萬m2。南、北兩個(gè)展館區(qū)呈對稱分布,每個(gè)展管區(qū)由登錄廳、8個(gè)單體展館(SE1-SE5,SW1-SW3)、館間連接體及觀眾連廊等展覽附屬功能用房組成;每個(gè)主展館平面尺寸約為181m×109.2m(軸線尺寸)。多功能廳及會(huì)議中心位于南北展廳之間,用于大型會(huì)議及高端展覽。多功能廳橫向最短約126m,最長261m,縱向長約265.8m。會(huì)議中心橫向長約77.5m,縱向長約265.8m。南展館區(qū)、多功能廳及會(huì)議中心等整體三維模型如圖2所示。2鋁合金平臺(tái)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)本工程展館、多功能廳、會(huì)議中心區(qū)域建筑設(shè)雙層屋面,鋁合金屋面位于鋼結(jié)構(gòu)屋面上部,登錄廳、通道、連廊等其他部分為單層鋁合金屋面。鋁合金水平構(gòu)件均為工字形截面,展館區(qū)生態(tài)包的桁架腹桿采用了箱型截面。所有鋁合金屋面在平面上投影為三角形網(wǎng)格形式,空間上為三維網(wǎng)格格構(gòu)形式,展廳區(qū)鋁合金網(wǎng)格尺寸為2.4m×2.6m,通道區(qū)、多功能廳、會(huì)議中心網(wǎng)格尺寸為2.25m×2.25m,網(wǎng)格由下部鋼結(jié)構(gòu)樹狀支承柱及鋼屋面上的鋼立柱支承。鋁合金屋面平臺(tái)區(qū)鋁合金結(jié)構(gòu)通過溫度縫或結(jié)構(gòu)縫分成多個(gè)鋁合金結(jié)構(gòu)單元,單元最大尺寸約為9.6m×15.6m。各單元通過鋼立柱及樹杈柱支承,形成了多個(gè)小框架結(jié)構(gòu),如圖3所示。展廳區(qū)生態(tài)包則通過設(shè)置空腹環(huán)桁架將各階鋁合金平臺(tái)的荷載傳遞到樹叉柱上,如圖4-圖6所示。會(huì)議中心區(qū)鋁合金結(jié)構(gòu)全部通過鋼樹杈柱支承。3垂直車身的設(shè)計(jì)重量11找下鋁屋頂結(jié)構(gòu)鋁合金結(jié)構(gòu)外型復(fù)雜,展廳區(qū)鋁屋面為單曲面,通道、環(huán)廊區(qū)為雙曲面。各區(qū)需根據(jù)建筑師提供的Rhino模型擬合,建立三維空間網(wǎng)格模型。2桿件長度差,巖性差,比頭長d原方案網(wǎng)格尺寸為投影到水平面上的尺寸,由于曲率半徑的影響,大部分桿件長度相差幾毫米。桿件長度不一給加工安裝增加難度,為使得標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件實(shí)際長度為2.25,2.4,2.6m等標(biāo)準(zhǔn)長度,需再次調(diào)整三維網(wǎng)格模型。3臺(tái)階形式的改造原來展廳區(qū)生態(tài)包為單層曲面網(wǎng)殼形式,建筑方案要求生態(tài)包外型為環(huán)形臺(tái)階形式,因此在原鋁網(wǎng)殼的外部新增6道鋁結(jié)構(gòu)環(huán)形臺(tái)階。由于網(wǎng)殼曲率半徑大,網(wǎng)殼與臺(tái)階相交處桿件間夾角很小,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)連接、制作及安裝十分困難。建議取消下部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),僅保留臺(tái)階部分鋁結(jié)構(gòu),如圖7所示。4橫向結(jié)構(gòu)縫的設(shè)置如圖4所示,SE4區(qū)生態(tài)包跨越了SE3、SE4、SE53個(gè)鋼結(jié)構(gòu)展廳,生態(tài)包相當(dāng)于3個(gè)展廳之間連橋,對結(jié)構(gòu)抗震不利。對下部鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析后,在SE4區(qū)生態(tài)包中間設(shè)置2道橫向結(jié)構(gòu)縫,原SE4生態(tài)包變?yōu)镾E4-A、SE4-B、SE4-C3個(gè)獨(dú)立的單體,SE4-A坐落在支承于抗震支座上的SE3區(qū)、SE4區(qū)樹杈柱上,SE4-B單獨(dú)位于SE4區(qū)鋼結(jié)構(gòu)立柱及樹杈柱上,SE4-C位于支承在抗震支座上的SE4區(qū)、SE5區(qū)樹杈柱上,跨越不同區(qū)的鋁合金結(jié)構(gòu)均連接在抗震支座上的樹杈柱上,減小了鋁合金生態(tài)包結(jié)構(gòu)對下部不同鋼結(jié)構(gòu)展廳的影響。5確定鋁合金空腹環(huán)桁架如圖8所示,樹杈柱支承點(diǎn)相對于生態(tài)包網(wǎng)格點(diǎn)位置無規(guī)律,為保證生態(tài)包區(qū)的豎向剛度,在每步臺(tái)階位置設(shè)置了鋁合金空腹環(huán)桁架,通過環(huán)桁架將豎向荷載傳遞給樹杈柱。6屋面和鋼立柱剛度大,溫度分布大本工程中鋁合金屋面暴露在外,且鋁合金線膨脹系數(shù)約為鋼結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)的2倍,支承鋁合金結(jié)構(gòu)的鋼屋面和鋼立柱剛度大,溫度應(yīng)力大。通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫、溫度縫(圖9),將屋面分為多個(gè)溫度區(qū)格(最大約9.6m×15.6m);同時(shí)在鋼立柱、樹杈柱與鋁合金屋面連接處采用了單向或雙向鉸支座(圖10),減小支座約束作用,大大減小了溫度應(yīng)力。7桿件間連接的節(jié)點(diǎn)由于鋁合金焊接工藝復(fù)雜,焊接對母材強(qiáng)度削弱,本項(xiàng)目鋁合金構(gòu)件間全部為不銹鋼螺栓或環(huán)槽鉚釘連接。工字形鋁合金桿件間連接形式統(tǒng)一采用圓盤節(jié)點(diǎn)形式,圓盤節(jié)點(diǎn)可以近似認(rèn)為是剛接節(jié)點(diǎn),這種節(jié)點(diǎn)已在眾多鋁合金網(wǎng)殼項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。本工程將軍用不銹鋼環(huán)槽鉚釘應(yīng)用于民用項(xiàng)目中。8無鋼樹層疊腹桿結(jié)構(gòu)生態(tài)包設(shè)置了多道結(jié)構(gòu)縫,導(dǎo)致臺(tái)階形環(huán)桁架不閉合,尤其第一階桁架最大高度約7m,且無鋼樹杈對下弦提供側(cè)向支撐,在風(fēng)荷載作用下,環(huán)桁架腹桿面外彎矩較大,因此桁架豎腹桿采用箱型截面。箱型截面內(nèi)部不設(shè)橫向加勁板,通過在貫通的箱型豎腹桿外側(cè)增設(shè)環(huán)板,利用角鋁將外環(huán)板與豎腹桿、弦桿、桁架面外水平桿連成整體,形成外環(huán)板鉚釘連接形式的剛接節(jié)點(diǎn)。9合成結(jié)構(gòu)縫展廳屋面區(qū)平臺(tái)、生態(tài)包采用兩種不同的結(jié)構(gòu)形式,兩者在立面上存在高差,因此在平臺(tái)與生態(tài)包鋁屋面間設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫。但由于生態(tài)包第一階桁架面外無支撐,且高度較大。因此,每隔約8m設(shè)置1道彈簧鋁板(板厚T=6mm),用來連接上部生態(tài)包與下部平臺(tái),利用平臺(tái)區(qū)鋁合金增強(qiáng)生態(tài)包桁架面外剛度,避免風(fēng)荷載作用下桁架面外變形過大。4負(fù)荷和地震作用1固定載荷屋面構(gòu)件及鋁單板自重。2活動(dòng)清單雪荷載及檢修荷載。3風(fēng)荷載體型系數(shù)及高度系數(shù)結(jié)構(gòu)體型系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行取值。風(fēng)荷載體型系數(shù)介于0.4774~-0.5148,最大風(fēng)振系數(shù)為1.67,風(fēng)荷載高度系數(shù)按坡地考慮爬坡系數(shù)1.87。4表面噴涂變色漆時(shí)溫度根據(jù)文獻(xiàn),裸露鋁材在太陽直射作用下溫度可達(dá)60℃,表面噴涂深色漆時(shí)溫度可達(dá)82℃,夜間鋁材溫度可低于外界溫度6~8℃。本工程合龍溫度為20±5℃,鋁合金結(jié)構(gòu)升溫溫差為55℃,降溫溫差為-30℃。5地震作用抗震設(shè)防烈度為6度,場地類別為III類。5鋁構(gòu)件驗(yàn)算及校核項(xiàng)目中鋁合金H型材采用兩種截面形式,分別按照GDJ08-95-2001《鋁合金格構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(試行)》、GB50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算受壓穩(wěn)定系數(shù)及整體穩(wěn)定系數(shù),對比如表1所示?？梢?兩規(guī)范計(jì)算的系數(shù)差值很大,GB50017-2003計(jì)算出的系數(shù)甚至達(dá)到DGJ08-95-2001和GB50429-2007的2倍以上。因此,不可直接修改材料特性后按照GB50017-2003驗(yàn)算鋁合金構(gòu)件。本項(xiàng)目鋁合金構(gòu)件驗(yàn)算按照下述思路:1)考慮到下部鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立了完整的MIDAS計(jì)算模型,在此基礎(chǔ)上建立鋁合金屋面MIDAS計(jì)算模型,以在整體模型進(jìn)行計(jì)算分析,如圖13所示。2)考慮到通用有限元設(shè)計(jì)軟件SAP2000中已有鋁合金構(gòu)件校核模塊,通過建立SAP2000有限元計(jì)算模型,按照美國鋁合金設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件校核。3)根據(jù)MIDAS整體模型計(jì)算結(jié)果,提取鋁合金桿件內(nèi)力,自行編譯構(gòu)件驗(yàn)算程序及節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算程序,按照GB50429-2007和DGJ08-95-2001對構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。6懸挑鋁合金構(gòu)件變形盡管鋁合金屋面結(jié)構(gòu)分為多個(gè)區(qū)格,構(gòu)件通過溫度縫仍可相互傳遞豎向力,因此各結(jié)構(gòu)單元鋁合金結(jié)構(gòu)變形不大,僅周邊懸挑鋁合金構(gòu)件變形較大,如圖14所示。控制懸挑長度小于5.2m(不大于2個(gè)網(wǎng)格)時(shí),鋁合金相對變形約為52mm(L/200,其中L為跨度),可滿足GB50429-2007的要求,變形容許值為L/180。展廳生態(tài)包部分通過設(shè)置空腹桁架保證了豎向變形,在第1道桁架與下部平臺(tái)間設(shè)置了彈簧板,通過構(gòu)造措施滿足水平變形要求。7設(shè)置分縫,釋放溫度應(yīng)力1)建立合理的三維網(wǎng)格模型,使得鋁合金構(gòu)件長度及節(jié)點(diǎn)形式統(tǒng)一,可大大減少鋁合金結(jié)構(gòu)的制作及安裝難度。2)外露鋁合金框架結(jié)構(gòu)受溫度影響較大,可考慮劃分溫