巨型钢结构体系设计创新实践(简)

巨型钢结构体系设计创新实践中南建筑设计院股份有限公司2016年李霆杭州中国动漫馆中国动漫博物馆位于杭州市白马湖畔，总建筑面积约为30382平米。建筑最大平面尺寸为152m×63m，最高点距地面44.50m。地上六层，层高分别为10.4m、7.0m、7.0m、5.0m、4.0m、4.0m，局部设夹层与地下室。1、工程概况中国动漫馆夜景人视图本工程抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为乙类，按7度采取抗震措施，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组。本工程场地类别为Ⅲ类。1、工程概况中国动漫馆1、工程概况中国动漫馆一层建筑平面图2、建筑主要平、立、剖一层结构平面图中国动漫馆二层建筑平面图2、建筑主要平、立、剖二层结构平面图中国动漫馆2、建筑主要平、立、剖三层建筑平面图三层结构平面图中国动漫馆2、建筑主要平、立、剖四层建筑平面图四层结构平面图中国动漫馆2、建筑主要平、立、剖五层建筑平面图五层结构平面图中国动漫馆2、建筑主要平、立、剖六层建筑平面图屋面层结构平面图中国动漫馆剖面图（一）2、建筑主要平、立、剖中国动漫馆剖面图(二)2、建筑主要平、立、剖网格筒作为承重构件的原因：建筑效果要求，将幕墙骨架和结构承重柱合二为一。中国动漫馆本工程结构体系：一层采用钢网格筒-钢框架-支撑（钢板剪力墙）结构二层及以上采用钢框架-支撑（钢板剪力墙）+跨层桁架结构。3、结构体系及计算模型中国动漫馆支撑包括一般支撑与屈曲约束支撑钢板剪力墙均为屈曲约束钢板剪力墙上部结构计算模型三维视图3、结构体系及计算模型网格筒的平面分布中国动漫馆大网格筒与上部结构的连接方式讨论：大网格筒的模型大网格筒正立面投影图中国动漫馆3、结构体系及计算模型问题：大网格筒的抗侧刚度对结构带来不利影响1）承担近50%的水平地震力，过度集中，增大网格筒发生失稳或其他失效的可能，造成整体结构的不安全。2）动力稳定分析短时间内难以完成，缩尺试验的水平向加载也难以实现。3）较小的层间位移角导致耗能构件（柱间BRB支撑和钢板剪力墙）难以发挥耗散地震能量的作用。大网格筒与上部结构不同连接方式的计算结果：分担的地震力占总剪力百分比T1/T2/T3下层与上层侧刚比与上部结构固结X向14457kN46.1%1.51/1.28/1.194.29Y向11026kN35.9%4.52与上部结构滑动(抗侧刚度释放)X向4010kN11.4%1.63/1.39/1.302.24Y向4090kN12.0%1.83中国动漫馆3、结构体系及计算模型结论：释放大网格筒抗侧刚度对网格筒本身和整体结构均有利。3、结构体系及计算模型中国动漫馆结构抗震设计思想：局部释放抗侧刚度，金属阻尼器减震，抗震1）局部释放抗侧刚度：在大网格筒上部与二层楼面结构之间设置叠层橡胶隔震支座，支座的水平刚度很小，大网格筒主要承受竖向荷载，不承担上部结构的水平地震力，可使整体结构地震力分布均匀，整体地震作用下降。2）金属阻尼器减震：在层间位移角较大处，采用了耗能型屈曲约束支撑和耗能型屈曲约束钢板墙。3）抗震：三个小网格筒和框架除承受竖向荷载（含竖向地震作用）外，还需承受水平作用。大网格筒顶部隔震滑动支座（叠层橡胶隔震支座）布置图和关键节点详图如下所示：（下图中实心圆圈代表支座）4、大网格筒设计大网格筒与上部结构的连接设计中国动漫馆4、大网格筒设计中国动漫馆5、耗能构件设计耗能构件的平面布置（FQ为屈曲约束钢板墙，ZC为屈曲约束支撑）中国动漫馆屈曲约束钢板墙的剪切刚度和剪切承载力：5、耗能构件设计中国动漫馆注：椭圆孔的长度应确保钢板在变形时，允许螺栓在槽内滑动，不会把剪力作用到外侧的约束钢筋混凝土板上。即椭圆孔大于钢板的层间位移。屈曲约束钢板墙的简化设计模型为便于进行弹塑性计算分析，借鉴开缝混凝土剪力墙和开缝钢板剪力墙的简化模型，将屈曲约束钢板墙等效为偏心交叉支撑。5、耗能构件设计中国动漫馆等效等效原则：交叉支撑形成的水平剪力——水平位移关系曲线与阻尼墙的剪力——位移关系曲线一致。5、耗能构件设计中国动漫馆屈曲约束钢板墙的构造做法5、耗能构件设计中国动漫馆6、网格筒节点分析整体分析下，在网格筒的交叉节点区不仅存在面内的弯矩、轴力剪力，还存在面外的弯矩，国内仅有《钢管结构技术规程》CECS280:2010中的6.2.4条涉及该情况下的验算。中国动漫馆该公式直接采用国外公式。6、网格筒节点分析网格筒交叉节点存在以下问题：1）带弯矩的相贯焊节点在整体有限元分析中如何模拟？2）带弯矩的相贯焊节点如何加强？效果如何？中国动漫馆6、网格筒节点分析1）等代十字梁法比较相贯焊节点（一向连续另一向断开相贯焊）的面外刚度与理想交叉节点（两个方向均连续）的面外刚度差异。方法：按如下图所示的计算简图，采用壳单元分别建立相贯焊节点与理想交叉节点，比较节点在相同面外力作用下的面外挠度值。中国动漫馆6、网格筒节点分析1）等代十字梁法编号理想交叉节点相贯焊节点单元类型壳单元壳单元节点类型双向连续相贯焊接竖向位移U1(mm)2.0872.395节点面外刚度相对值（相贯焊节点/理想交叉节点）——0.87对本工程，相贯焊节点在弹性范围内，面外刚度相当于理想交叉节点的0.87倍。该方法比较粗略，只考虑了节点面外刚度。1）理想交叉节点2）相贯焊节点（次管断开）中国动漫馆6、网格筒节点分析2）综合比较法同时比较相贯焊节点（一向连续另一向断开相贯焊）的面内/外刚度与理想交叉节点（两个方向均连续）的面内/外刚度差异。方法：在整体模型中按杆件面内反弯点位置，截取计算节点，采用壳单元分别建立相贯焊节点与理想交叉节点，比较节点初始刚度、极限承载力及极限挠度值。中国动漫馆6、网格筒节点分析1）理想交叉节点2）相贯焊节点（次管断开）3）相贯焊节点（次管断开+加劲板）三种节点形式计算结果1）未加强相贯焊节点与理想交叉节点在面外挠度、初始刚度以及节点的破坏形式上差异较大。2）加肋板的相贯焊与理想交叉节点在极限承载力、面外挠度、初始刚度以及节点的破坏形式上基本一致。中国动漫馆7、网格筒节点试验1）试验节点，次管断开2）试验节点，次管断开+加劲板中国动漫馆7、网格筒节点试验中国动漫馆对6组节点进行了试验，试件编号如下表。Origin-和Reinf-分别对应节点无加劲肋和设置加劲肋，编号后面两个数字分别代表次管和主管的面外偏心距。7、网格筒节点试验中国动漫馆试件Origin-0-0破坏模式试件Reinf-0-0破坏模式无偏心节点试件破坏形式比较：1）试件Origin-0-0破坏是由主管在节点区被次管压扁而引起。2）试件Reinf-0-0的主管无局部变形，破坏由试件整体面外弯曲引起。7、网格筒节点试验中国动漫馆试件Origin-30-60破坏模式试件Reinf-30-60破坏模式有偏心节点试件破坏形式比较：1）试件Origin-20-40、Origin-30-60破坏主要是试件整体面外弯曲引起，同时主管受压侧还存在面外鼓曲。2）试件Reinf-20-40、Reinf-30-60破坏由试件整体面外弯曲引起，主管无明显面外变形。7、网格筒节点试验中国动漫馆主要结论：1）有加劲板的节点有效的加强了节点区域，避免了节点区域主管被压扁，同时对节点的极限承载力也有着明显提高。2）经计算网格筒整体安全系数为2.38，而无加劲板的节点安全系数为2.25，小于整体，不能做到强节点若构件。因而需要对节点采取加强措施。3）实验表明，在主管中添加加劲板是一种较好的加强方案，但施工比较麻烦。8、网格筒的极限承载力分析1）初始缺陷的敏感性分析对大网格筒，采用有限元分析软件ANSYS进行模拟，选取第一阶整体屈曲模态作为结构的初始缺陷模式，初始缺陷幅值从网格筒高度h的1/1000（10mm）到1/166（60mm），网格筒的极限承载力结果如下：初始缺陷对承载力的影响最大初始缺陷极限承载力(kN)承载力下降率(%)0mm141458/h/1000（10mm）1413560.32h/500（20mm）1412870.37h/333（30mm）1410460.54h/250（40mm）1408010.71h/200（50mm）1407060.78h/166（60mm）1401901.14可不考虑初始缺陷对极限承载力的影响。中国动漫馆8、网格筒的极限承载力分析2）大网格筒极限承载力在最不利荷载工况作用下，大网格筒的极限承载力为141458kN；对应工况下的荷载设计值为56352kN，两者比值为2.51。3）小网格筒极限承载力在最不利荷载工况作用下，小网格筒的极限承载力为135100kN；对应工况下的荷载设计值为56810kN，两者比值为2.38。中国动漫馆9、网格筒的试验研究1）主要分析：（1）材料线弹性时缩尺比例（1：S）中国动漫馆9、网格筒的试验研究各缩尺比例小网格筒极限承载力计算分析表明，NP/NS=S2（2）材料考虑弹塑性时缩尺比例1:11:21:3.51:41:5结构极限承载力（kN）154805388381261396966209比值11/3.9871/12.2731/15.9661/24.932各缩尺比例大网格筒极限承载力缩尺比例1:11:21:3.51:41:5结构极限承载力（kN）154946391311265996716191比值11/3.9601/12.2401/16.0221/25.028中国动漫馆9、网格筒的试验研究2）小网格筒试验小网格筒1:4模型截面尺寸小网格筒1:4模型试验加载机制中国动漫馆9、网格筒的试验研究整体破坏模式门框斜柱破坏模式相贯焊节点焊缝撕裂第六加载阶段的模型破坏情况：中国动漫馆9、网格筒的试验研究往复加载阶段的整体滞回情况：中国动漫馆9、网格筒的试验研究小网格筒模型试验结果主要结论：1）试验模型具有非常好的水平承载；且竖向荷载在一定范围内变化时，对水平承载力影响很小。2）在往复位移加载作用下，小网格筒模型具有良好的滞回耗能性能。3）小网格筒模型在历经各加载阶段后，最终加载的极限承载力仍有设计荷载的3.25倍，其竖向稳定承载力有充足的富裕度。中国动漫馆9、网格筒的试验研究大网格筒试验模型中国动漫馆中国动漫馆10、动力弹塑性分析本工程采用MIDAS/GEN进行弹塑性分析。本工程钢材的滞回模型采用三折线模型，并考虑随动强化。钢构件的第一屈服为截面外侧开始屈服时，第二屈服为全截面应力达到屈服应力时。标准三折线模型钢结构构件截面屈服的判定准则分类名称铰功能成分分配位置钢梁铰LJ弯矩-y,z剪力杆端I，J钢柱铰、刚接支撑铰ZJ剪力P-My-Mz杆端I，J铰接支撑撑铰CJ轴力杆中心耗能支撑、耗能墙等效支撑QJ轴力杆中心定义及分配铰特性值中国动漫馆10、动力弹塑性分析本工程采用2组人工波、5组天然波进行分析，采用三向输入，加速度峰值比例取：水平主向:水平次向:竖向=1:0.85:0.65。X主向天然波4（T4）层间位移角Y主向天然波4（T4）层间位移角弯矩铰Rz整体出铰情况轴力铰Dx整体出铰情况中国动漫馆10、动力弹塑性分析BRB及等效支撑出铰蓝色铰表示未发生屈服（未出铰），构件为弹性；绿色铰表示第一屈服状态，构件截面外侧开始发生屈服；黄色铰表示第二屈服状态，构件全截面应力达到屈服应力。中国动漫馆10、动力弹塑性分析BRB及等效支撑出铰网格筒未出铰楼梯间构件出铰情况本工程动力弹塑性分析出铰顺序为：1）耗能构件（屈曲约束支撑）——2）楼层处少量梁——3）楼梯间处少量梁——4）普通钢框柱。湖北省科技馆1、工程概况湖北省科技馆建筑最大平面尺寸为158.4m×150m，总建筑高度为51.1m，总建筑面积约为71757平米。地上四层，层高分别为9.5m、17.5m、12m、4.5m，局部设夹层。首层为进馆中央大厅、餐厅、影厅、临时展厅及车库、设备用房；二层为儿童展厅、常设展厅、科普试验室等；三层为常设展厅；四层为科普活动室、会议室、旅馆及设备用房。建筑首层平面湖北省科技馆1、工程概况建筑二层平面湖北省科技馆1、工程概况建筑设备夹层平面湖北省科技馆1、工程概况建筑三层平面湖北省科技馆1、工程概况沉浸式影院