西双版纳傣秀剧场屋盖钢结构设计.pdf

第 45 卷 第 20 期 2015 年 10 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 45 No． 20 Oct． 2015 西双版纳傣秀剧场屋盖钢结构设计 祖义祯， 王文渊， 张同亿， 王啸， 姜孝林， 束天明 中国中元国际工程有限公司，北京 100089 ［ 摘要］ 西双版纳傣秀剧场屋盖造型新颖， 分为上下两层， 根据建筑特点， 其结构分为内屋盖、 上挑檐、 下挑檐三部 分。根据结构体系及其特点， 对结构进行了合理的设计， 并介绍了本工程的风洞试验和风振分析结果。采用 SAP2000 软件进行了结构线性分析和截面设计， 利用 ANSYS 软件对屋盖挠度、 结构稳定性和节点应力进行了分析。 结果表明， 各项指标均满足要求。 ［ 关键词］ 西双版纳傣秀剧场;大跨度钢结构;挑檐结构;节点分析 中图分类号 TU318，TU391文献标识码 A文章编号 1002- 848X 2015 20- 0018- 04 Structural design of the steel roof for Dai Show Theater in Xishuangbanna Zu Yizhen，Wang Wenyuan，Zhang Tongyi，Wang Xiao，Jiang Xiaolin，Shu Tianming China IPPＲ International Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100089，China Abstract With the roof of novel shape，Dai Show Theater in Xishuangbanna is divided into two layers of upper layer and lower layer． According to the architecture characteristics，the structure is divided into three parts of the inner roof，upper cornice and lower cornice． According to the structural system and its characteristics， the structure was designed reasonably， and the wind tunnel test and wind vibration analysis results of this project were introduced． SAP2000 software was used to carry out linear analysis and cross- section design． The ANSYS software was used to analyze the roof deflection，the structural stability and stress of the joint． The results indicate that all the inds meet the specified requirements． Keywords Dai Show Theater in Xishuangbanna;large- span steel structure;roof overhang structure;joint analysis 作者简介 祖义祯， 博士， 高级工程师， Email zuyizhen ippr． net。 1工程概况 西双版纳傣秀剧场位于云南省西双版纳州景洪 市西北角， 含 1 180 座观众席， 建筑效果见图 1。其 屋盖造型新颖， 为折叠状的中心对称正圆形， 分为上 下两层， 上层屋盖覆盖直径 96m， 下层屋盖覆盖直径 110m， 屋盖建筑高度 21m， 结构高度为 19. 4m。下 部结构采用现浇钢筋混凝土框架- 剪力墙结构体系， 给钢屋盖提供了三圈支点， 分别分布在直径约 45， 60， 90m 的圆周上 图 2 。由于下部结构有大空间 需求， 部分支点 2 调整至直径约 80m 圆周处 图 2 中支点2- 2 ; 支点3- 1 由室外的 V 形钢柱提供支承， 支点 3- 2 由混凝土结构提供支承。屋盖采用空间钢 结构体系， 根据支点分布及建筑造型特点， 将屋盖分 为三部分 内屋盖、 上挑檐和下挑檐 图 3 。 图 1西双版纳傣秀剧场效果图 内屋盖覆盖了剧场表演厅部分， 有较大的吊挂 图 2钢屋盖支点分布示意图 荷载， 且对刚度要求高， 选用由 14 榀空间桁架单元 及中心压力环组成的空间结构体系。空间桁架单元 由上弦径向杆、 环向腹杆、 弦间交叉腹杆及下弦杆组 成， 如图 4 所示。其中上弦径向杆沿屋盖的脊线、 谷 线布置， 之间由环向腹杆连接; 弦间腹杆按建筑效果 第 45 卷 第 20 期祖义祯， 等． 西双版纳傣秀剧场屋盖钢结构设计 要求设计为交叉状， 一端连接谷线处的上弦径向杆， 另一端连接下弦杆; 下弦杆一端连接压力环， 另一端 支承在固定铰支座上。压力环直径 10m， 采用内设 加劲板的弧形箱形截面 1 020 450 30 30 ， 内 部布置正交分布的 H 型钢梁， 如图 5 所示。 内屋盖的上弦径向杆顺着屋盖建筑形状向外延 伸， 形成上挑檐结构。上挑檐下方挂下挑檐， 下挑檐 图 3结构单元示意图 图 4内屋盖结构单元示意图 图 5压力环示意图 另一端支承在支点 3 上。上、 下挑檐均为暴露的结 构， 建筑效果要求高， 且无较大的吊挂荷载， 因此均 采用由径向杆件、 环向腹杆组成的单层空腹式折板 网壳结构体系 ［1 ］， 如图 3 所示。 内屋盖桁架结构最大高度约为 3m， 位于支点 1 处， 最小高度约为 0. 7m， 位于压力环处。上、 下挑檐 在支点处的结构最大高度约为 1. 5m。各类杆件主 要截面尺寸见表 1， 所有杆件均采用 Q345B 钢材。 杆件截面尺寸表 1 位 置 内屋盖 下弦杆 内屋盖 弦间腹杆 上弦径 向杆件 环向 杆件 上下挑檐 封边环向 杆件 V 形钢柱 正三角 形截面 规 格 325 12 ～16 121 6， 168 8 ～10 168 8 ～10 ， 219 8 ～14 95 6， 121 6， 168 8 245 10 300 ～575 25 2节点设计 建筑造型的特点决定了屋盖钢结构相邻径向杆 件间角度较小， 部分区域杆件密集。对屋盖钢结构 进行实体三维放样， 大部分区域杆件可以实现简单 的相贯焊接， 但部分节点焊缝搭接严重， 无法直接进 行相贯焊接， 需要特殊设计， 主要采用两种手段 1 结构外露处采用铸钢节点［2 ］方案以保证建筑效果。 如下挑檐与 V 形钢柱连接节点、 下挑檐封边环向杆 件与径向杆件连接节点; 2 径向杆件夹角小时， 节 点区焊缝搭接严重， 采用焊接节点方案， 局部加大主 管截面和壁厚并利用锥形管过渡连接。如图 6 所 示， 采用焊接节点代替铸钢节点， 经济性和安全性 更佳。 图 6焊接节点和铸钢节点示意图 3荷载取值和设计准则 3. 1 荷载作用 屋盖钢结构设计时综合考虑了结构自重、 恒荷 载、 活荷载、 吊挂荷载、 地震作用、 温度作用以及风荷 载。结构自重由程序自动统计计算， 恒荷载、 活荷 载、 吊挂荷载、 地震作用等按建筑结构荷载规范 GB 500092012 ［3 ］ 简称荷载规范 和实际情况 考虑。荷载工况按照荷载规范相应的规定及工程具 体情况进行组合。 91 建筑结构2015 年 内屋盖的屋面做法考虑隔声及保温， 挑檐部分 不考虑， 因此屋面恒荷载内外不同， 根据实际情况加 载。温度作用也内外有别， 对内屋盖考虑 15℃的 温度作用， 挑檐以及 V 形钢柱考虑 20℃的温度作 用。施工控制合拢温度为 25 ～30℃。 对于此类大跨度轻型钢结构， 风荷载一般为控 制荷载 ［4 ］。本项目中的屋盖具有两层挑檐， 且下挑 檐为敞开式， 与普通大跨屋盖有较大差异。为精确 计算屋盖在风荷载下的反应， 进行了风洞试验和风 振分析， 并采用 100 年重现期屋面等效静力风荷载 作为屋面设计风荷载。项目所在地 100 年重现期基 本风压为 0. 5kN/m2。风洞试验结果表明 上挑檐以 负风压为主， 风荷载体型系数在 － 1. 2 ～ 0. 1 范围 内; 下挑檐以正风压为主， 风荷载体型系数在 － 0. 1 ～0. 5 范围内。 3. 2 设计准则 根据钢结构设计规范 GB 500172003 ［5 ］ 并结合结构特点指定了设计控制指标 1 内屋盖下 弦杆应力比≤0. 7， 上弦径向杆应力比≤0. 8， 其他杆 件应力比≤0. 85; 2 相对挠度≤L/250， L 为跨度; 3 压杆长细比 径向杆件≤120， 弦间腹杆及环向杆件 ≤150; 4 拉杆长细比≤250。 4结构分析和设计 4. 1 计算模型和分析软件 杆件均采用梁单元模拟。支点 1 及支点 2 为固 定铰接支座。支点 3- 2 处的支座由于与支点 2- 2 距 离很近 图 2 ， 采用单向滑动铰支座， 释放径向平动 位移以减小温度作用; V 形钢柱顶端与屋盖相连节 点设为铰接。 采用单体 只考虑钢屋盖及 V 形钢柱 和整体 考虑钢结构与混凝土结构共同作用 两种计算模 型， 进行包络设计。 利用 SAP2000 软件 ［6 ］对结构进行线性分析和 截面设计， 利用 ANSYS13. 0 软件对计算分析进行了 校核并对结构进行了几何非线性稳定分析。经比 较， 两个软件的线性分析结果吻合。对关键节点利 用 ANSYS Workbench 进行了有限元分析。 4. 2 主要分析结果 4. 2. 1 位移 表 2 中列出了标准荷载组合下屋盖钢结构的最 大挠度值， 从表 2 可以看出， 内屋盖和挑檐挠度均能 满足 3. 2 节限值要求， 其控制工况均为“恒 活 0. 6 降温” 。 4. 2. 2 支座反力 表 3 为图 2 所示支座最大反力或最大位移绝 对值。从表 3 可以看出， 水平反力以径向为主。 根据最大反力值， 支点 1 和支点 2- 2 处采用成品固 定铰支座， 支点 2- 1 和支点 3- 2 处采用单向销轴节 点， 其中支点 3- 2 为单向滑动销轴节点。支点 1 反 力值较大， 下部支承结构采用环形的钢筋混凝土 剪力墙。 屋盖钢结构最大挠度值表 2 位置挠度值/mm控制工况限值 内屋盖挠度 40 L1/1 125 恒 活 0. 6 降温L/250 上下挑檐 67 L2/470 恒 活 0. 6 降温L/250 注 L1为内屋盖跨度， 45m， L2 为上下挑檐两倍悬挑跨度， 32m。 支座最大反力或最大位移绝对值表 3 位置环向反力/kN 径向反力/kN 径向位移/mm 竖向反力/kN 支点 170 1 9401 640 支点 2- 110 385262 支点 2- 210 970760 支点 3- 210 4340 4. 2. 3 动力特性 屋盖钢结构的主要振型分析结果见表 4， 第 1 阶振型为上下挑檐的竖向振动， 周期约为 0. 8s， 在 第 40 阶振型之后才出现内屋盖的振动， 内屋盖第 1 阶周期约为 0. 3s， 这与内屋盖刚度大、 上下挑檐刚 度小的结构特点一致。单体模型和整体模型模态分 析结果一致， 整体模型中的周期略有增大。单体模 型振型结果如图 7 所示。 屋盖钢结构主要振型分析结果表 4 单体模型整体模型 阶数周期/s阶数阶数周期/s振型 10. 81上下挑檐竖向10. 82上下挑檐竖向 480. 32内屋盖竖向410. 34内屋盖竖向 570. 30上下挑檐扭转600. 30上下挑檐扭转 590. 29上下挑檐平动640. 29上下挑檐平动 图 7单体模型主要振型图 4. 2. 4 结构稳定分析 利用 SAP2000 软件对屋盖钢结构进行了线性 02 第 45 卷 第 20 期祖义祯， 等． 西双版纳傣秀剧场屋盖钢结构设计 稳定分析， 利用 ANSYS13. 0 软件对屋盖钢结构进 行了线性稳定分析校核及非线性稳定分析， 其中 非线性屈曲分析中考虑了材料和几何的双非线 性， 并引入了初始缺陷， 缺陷分布形式为最低阶屈 曲模态， 缺陷最大值取跨度的 1 /300， 即 110 /300 0. 37m。 考虑了三种荷载模式， 主要计算结果列于表 5 中。从表 5 可以看出， 各种荷载模式下非线性稳定 系数满足空 间 网 格 结 构 技 术 规 程 JGJ 7 2010 ［7 ］的要求。其中恒 活 升温为最不利工 况， 图 8 中列出了该工况下前 2 阶线性屈曲模态， 从 图 8 可以看出， 屈曲主要发生在挑檐， 这与上下挑檐 较弱的结构特点一致。 结构稳定系数表 5 荷载模式恒 活恒 活 升温 恒 活 风 线性 SAP20009. 85. 810. 1 ANSYS9. 55. 39. 8 非线性 ANSYS5. 33. 75. 5 规范要求 ＞2. 0满足 满足满足 图 8恒 活 升温线性屈曲模态 4. 2. 5 关键节点 利用 ANSYS Workbench 对于结构中几个关键 的节点进行了有限元分析， 材料采用双线性模型。 1 支点 1 处设置固定铰支座， 此处 9 根杆件 焊接在一个带加劲板的球冠上， 通过球冠的底板和 支座连接。 2 内屋盖的径向杆件直接焊接在压力环箱形 截面上， 杆件数量多且分布密集。为了保证节点区 的传力及刚度， 在箱形截面内设置了分别对应于下 弦杆和上弦杆件位置的两块环向加劲板。 3 上、 下挑檐连接处， 由于径向杆件夹角小， 为了保证节点区的焊缝不搭接， 采用了局部加大主 杆件截面的处理方法。 节点 von Mises 应力计算结果见图 9， 从图 9 可 以看出， 其中球冠节点在杆件与球冠相连处应力水 平最高 约为 260MPa ， 压力环节点在弦杆与压力 环相连处应力水平最高 约为 167MPa ， 上、 下挑檐 连接节点在主支管相贯处应力水平最高 约为 276MPa 。三个节点在设计工况下均处于弹性状 图 9节点 von Mises 应力云图/MPa 态， 节点区与杆件接触处因应力集中局部应力较大， 其他区域节点的应力水平低， 节点安全。 5结论 1 西双版纳傣秀剧场的结构形式新颖优美， 与建筑造型有机结合， 且受力性能良好。 2 特殊的建筑造型决定了节点的复杂性， 本 项目引入铸钢节点和焊接节点以处理复杂节点， 保 证建筑效果和结构安全。 3 对于这类外形新颖的建筑结构， 应通过风 洞试验确定其风荷载分布。 4 本工程中温度工况是控制工况， 类似工程 的设计中应重视温度作用的影响。 参考文献 ［1］ 朱忠义， 董石麟， 高博青． 折板网壳的几何非线性和经 济性分析［ J］ ． 建筑结构学报， 2000， 21 5 54- 58． ［2］ 吴治国， 刘坚， 王永梅． 铸钢节点的研究及在大跨度空 间结构中的应用［ J］ ． 钢结构， 2008， 23 8 31- 35． ［3］ GB 500092012 建筑结构荷载规范［ S］ ． 北京 中国建 筑工业出版社， 2012． ［4］ 周岱， 舒新玲， 周笠人． 大跨空间结构风振响应及其计 算与试验方法［ J］ ． 振动与冲击， 2002， 21 4 7- 11． ［5］ GB 500172003 钢结构设计规范［ S］ ． 北京 中国计划 出版社， 2003． ［6］ 北京金土木软件技术有限公司． SAP2000 中文版使用 指南［ M］ ． 2 版． 北京 人民交通出版社， 2012． ［7］ JGJ 72010 空间网格结构技术规程［S］ ． 北京 中国 建筑工业出版社， 2010． 12