体育馆上下部协同工作分析

叶　松,马文亚,刘　创

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥　230022)



体育馆上下部协同工作分析

叶松,马文亚,刘创

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230022)

摘要：文章以庐江体育馆为例，应用Midas结构分析和设计软件,通过振型分解反应谱法和动力特性分析对该工程进行性能研究。针对钢结构网壳和整体结构2种复杂空间结构计算模型，对结构的自振特性、位移及支座反力等性能进行分析和设计。计算表明,采用钢结构网壳计算模型进行抗震设计存在不安全因素，在钢结构网壳设计时应考虑上下部结构协同作用的影响。

关键词：复杂空间结构；协同作用；反应谱分析

1工程概况

庐江体育馆中心位于庐江县东城区，总建筑面积为12 272 m2，建筑高度为19.6 m，此空间体系有效地将薄壁钢结合起来，形成互相交错的受力分摊体系。薄壁钢的使用加大了结构的刚度，也提高了结构承受轴力和弯矩的能力。空间钢架形成之后，结构内刚度减小，外刚度增大，荷载通过杆件传递到下部的支座上。

在实际工程分析中,通常把此类体系的网壳结构与支承分开考虑,对于网壳，根据柱脚的结构形式及节点构造，可按照固定支座、固定铰支座、滑动铰支座及弹性支座等来模拟[1]。这种方法建立在力平衡的基础上，没有考虑结构变形的影响。而实际上，如果钢结构采用固定支座和铰支座，则无法模拟支座节点处的位移，如果采用弹性支承，其弹性刚度无法准确得出。因此，对于大跨空间结构的设计，必须进行整体分析。本文针对以上问题，对庐江体育馆结构进行研究[2-3]。

2结构计算模型

2.1计算模型

由软件程序自动计入根据截面设计的结构自重，屋面恒载按1.0 kN/m2计，廊道按0.5 kN/m2计。屋面活荷载标准值为0.7 kN/m2，屋架下弦活荷载为1.0 kN/m2，基本雪载标准值为0.6 kN/m2，基本风载取50年一遇的基本风压为0.35 kN/m2。因为该钢桁架结构沿纵向较长，是内部钢屋面，跨度也不是很大，在本次研究中暂不考虑温度影响。

(1) 模型1。钢结构网壳是通过3D3S建模，上部钢桁架屋盖模型中采用梁单元体系，所以释放主桁架腹杆、上弦支撑、幕墙支撑、幕墙横向联系杆和底部支撑弯矩。在本工程中，网壳下部的支承点使用弹性支承代替下部支承和支座 ，如图1所示。

图1　钢结构网壳模型

(2) 模型2。运用有限元分析软件Midas Gen建模，模型简化下部混凝土采用梁、柱单元；模型上部网壳屋盖。约束条件柱底部与基础刚性连接，上部网壳型钢与钢筋混凝土柱为铰接，如图2所示。

图2　整体结构模型

2.2支座简化

对于支承结构的弹性效应，考虑支承的弹性刚度，用来模拟结构上下部共同作用工况。下部支承结构的弹性效应,可以由下部支承结构在约束方向对网壳提供的弹性刚度表示。刚度计算根据具体支承情况予以考虑，对位于有边梁的柱上和框架梁上的支承，可认为沿边界法向的抗侧移刚度较小，取沿法向抗侧移刚度,沿切向边界和竖向近似认为固定，即考虑支座有水平方向弹性约束，计算下部结构的侧向刚度,作为网壳水平方向弹性约束的弹簧刚度。对于位于非框架梁的支承，可认为沿竖向考虑为弹性支承，其竖向刚度可近似采用梁位于网壳支座处的竖向刚度，沿切向和法向方向均考虑为弹性支座。根据实际网壳结构工程支承情况，一般采用周边切向约束和竖向约束，仅考虑结构法向弹性刚度[4-5]。

3动力特性分析

3.1结构地震动系数

小震分析采用反应谱法,网壳结构阻尼比取为0.02,下部混凝土结构模型的阻尼比取0.05[6]，仅取单向地震作用[7]。重力荷载代表值为1.0静+0.5活(雪)。

3.2结构自振特性

对模型1和模型2采用Lanczos法进行模态分析[8]，提取前15阶振型，分别列出多阶频率对比图，如图3所示。

通过模态分析，有下部结构的模型频率较大，主要原因是上下结构刚度相差较大，当取整体结构时，网壳结构成为整体薄弱地位，模型周期趋近于上部网壳并且放大。其次，模型1与模型2的前3阶振型分别都是以水平和竖向变形为主，前3阶振型中，整体模型周期大于模型1的周期，之后振型阶数增加，频率相对缓和，模型1的周期还略大于模型2的周期，都是以上部结构的局部变形为主。因此，模态分析不能仅取前几阶振型，还应考虑多阶模态分析。

图3　模型振型模态

4地震响应

在小震作用下，对上述2个模型进行振型分解反应谱法分析[9]。因为2个模型主振型的差异，势必导致结构地震响应的差异。为量化研究不同模型带来的地震相应差异[10]，提取模型中钢结构部分关键部位结构地震内力、位移，轴力等主要力学指标对比分析，结果见表1、表2所列。

在模型1对应的杆件部位的位置，11号节点位于K轴与3轴相交部位，912节点位于F轴与5轴相交部位的上弦，4810腹杆位于F轴与5、6轴相交的腹杆，限于篇幅，此处未视出详图。

表1　小震作用下结构力学指标对比

表1中，位移指标为单独网壳上弦节点912竖向位移，轴力指标为桁架腹杆4810杆件轴力。

表2　小震作用下11号支架反力指标对比　　　　kN

由上述分析可知：

(1) 在X、Y向地震作用下，模型2比采用简化弹性刚度支座的模型1，在水平方向上增大了1.5倍左右，但是在竖直方向上，模型2比模型1大。

(2) 模型2中钢结构网壳上弦节点顶点与整体模型2相近，并且略微大点，整体采用简化弹性支座模型可行。

(3) 在桁架腹杆中，模型2的轴力相对于模型1略微大点，结果偏于安全。

综合以上数据可以发现，模型2中考虑下部结构和支座的影响，采用弹性支承模拟下部结构和支座的刚度效应，是可以采用的边界条件，大体上考虑下部结构对钢结构受力状态及安全性能的影响。

5结束语

本文进行钢结构网壳动力特性分析时，由于整体模型下部框架刚度较大，导致整体变形的周期大于上部结构周期。整体模型振型模态与上部结构模态前几阶变形都是以水平和竖向变形为主，之后的振型是以网壳局部变形为主。考虑上下部结构共同作用后，2种模型在小震作用下，钢结构网壳支座反力、位移、轴力等力学指标在水平Y向和Z向大致相同，但是在水平Z向支座反力有点差距。因此，在实际模型中，虽然可以用简化弹性支座模型模拟整体模型，但是从部分数据分析还不能完全等效。

〔参考文献〕

[1]杨雪.大半类球面网壳与下部支承协同工作研究[D].兰州:兰州交通大学,2014.

[2]董继斌,刘善维.网壳结构的边界条件及支座设计[J].空间结构,1997,3(4):39-46.

[3]陈应波,陈军明.网壳结构与下部结构协同工作的研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(3):49-50,53.

[4]吴婷婷,魏徳敏.网架结构静力及动力响应分析[J].工业建筑,2010,40(S1):356-359.

[5]董启澋，苏毅，冯刚.沈阳铁西体育中心体育馆结构设计[J].建筑结构,2011(S1):810-812.

[6]葛家琪,黄季阳,王树,等.贵阳奥体中心主体育场罩篷钢结构抗震性能化设计研究[J].建筑结构,2010(12):1-9.

[7]王树,葛家琪,张庆亮,等.大剧院上下结构共同工作对钢屋盖抗震性能影响分析[J].建筑结构,2008(12):7-10.

[8]傅学怡,杨想兵,高颖,等.济南奥体中心体育场结构设计[J].空间结构,2009,15(1):11-19.

[9]曹资,张超,张毅刚,等.网壳屋盖与下部支承结构动力相互作用研究[J].空间结构,2001,7(2):19-26.

[10]张曼生,王树,管志忠,等.山西科技馆结构设计[J].建筑结构,2009(10):107-111,84.

收稿日期：2016-03-12；修改日期：2016-03-16

作者简介：叶松(1990-)，男，安徽六安人，安徽建筑大学硕士生．

中图分类号：TU312.1

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0206-03