大跨度钢结构设计中常见问题的研究与探讨

张月强

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引 言

随着我国经济的发展,大跨度钢结构在全国范围内大规模兴建。大跨度钢结构的大规模建设一方面促进了其设计技术进步,另一方面突显出大跨度钢结构设计中的一部分常见问题。

钢结构设计中的常见问题分为结构体系分析中的常见问题、细部节点中设计问题以及焊缝选择设计中的问题。

1 结构设计中的常见问题

1.1 大跨度钢结构设计的主要流程

大跨度钢结构设计可分为三个部分:①方案设计(即结构体系选型);②结构分析与结构设计;③施工图绘制[1]。

方案设计是大跨度钢结构设计中最重要的阶段,能否确定合理的结构体系不仅直接影响着整个结构的受力性能,而且直接影响着后续结构分析和结构设计的合理性和准确性。

结构方案确定以后,大跨度钢结构设计与分析主要包括参数化设计、找形分析、静力分析、动力分析、稳定性分析、弹塑性极限承载力分析、抗连续倒塌分析、支座设计和焊缝形式设计。静力分析包括变形分析、内力分析和构件应力分析,静力分析时所取荷载除了恒荷载和活荷载外,还有风荷载和温度作用,温度作用对大跨度钢结构影响很大,很多时候会起控制作用。动力分析包括结构自身的动力性能分析(振型和周期)和地震作用下结构受力性能和构件应力比分析。对于普通的大跨度钢结构一般采用反应谱CQC法分析地震作用,但当屋盖的跨度超过120 m或悬挑长度大于40 m或单向长度大于300 m或者屋盖结构形式超出常用大跨度空间结构形式时，应采用时程分析法进行补充分析,对于单向屋盖跨度超过400 m时应考虑行波效应的多点和多方向输入的时程分析。大跨度钢结构设计主要流程如图1所示。

图1 大跨度钢结构设计主要流程图Fig.1 Main flow chart of large span steel structural design

1.2 参数化设计

传统的结构三维建模技术在复杂大跨度空间结构的建模中的效率较低,难以应对设计师反复变更的设计方案,也不利于结构工程师对结构布置方案中各种参数变更进行比对。参数化技术解决了这一难题,在结构方案设计中,利用APDL编程语言或Grasshopper、GC等新型可视化参数设计平台对结构进行基于程序逻辑,并与可与建筑方案设计成果对接的参数化模型,即可根据需要通过少量几个参数快速对模型进行修改,工程实践证明,该方法可大大节省结构设计中的时间成本和人力成本。参数化设计的主要流程如图2 所示。

图2 参数化结构设计主要流程Fig.2 Main flow of parameterized structural design

一个典型的基于Rhino Grasshopper开发的结构参数化设计模型如图3所示,建筑参数的输入为72个标高控制点,结构单元均通过给定参数后由计算机程序生成,结构通过设计参数进行找形及优化设计,若建筑空间形状需要改动,只需要向结构工程师提供新的标高控制点即可,全过程十分精确高效。

图3 一个典型的参数化设计结构模型Fig.3 A typical parametric design structural model

1.3 找形分析

结构找形分析就是通过特殊的手段找出结构合理的形态,以满足结构受力和建筑造型的要求。常用的找形方法要有NURBS找形分析、最小应变能找形和索结构找形的有限单元法。

1.3.1NURBS找形分析

NURBS找形分析方法是在RINOS软件出现前的找形方法。NURBS是非均匀有理B样条方法的简称,利用NURBS技术进行复杂曲面找形主要包含拟合、光顺、拼接三方面。通过上述三个阶段可以完成复杂屋面的曲面形态找形。北大体育馆为2008年奥运会场馆之一,2005年设计,当时犀牛等建模软件没有在建筑中得到广泛应用,所以采用NURBS找形方法对屋面形态进行找形(图4)。

图4 北大体育馆结构NURBS找形Fig.4 NURBS form finding of Peking University Gymnasium structure

1.3.2最小应变能找形分析

最小应变能找形是刚性结构找形分析一种方法。结构找形应用最小应变能原理,利用大型通用有限元软件ANSYS的软件高级分析技术中的优化设计模块迭代求解屋盖优化设计问题。该模块将有限元分析技术与优化方法相结合,从而构成基于有限元分析技术的优化方法。ANSYS的优化分析过程与传统的优化设计过程相类似,在优化设计之前,要先确定好设计变量、约束条件和目标函数。所不同的是其数学模型必须要用参数来表示,包括设计变量、约束条件和目标函数的参数化表示。结构在特定的荷载下应变能最小,则其在此荷载下的结构刚度最大,因而,利用最小应变能原理可以寻找使得结构变形最小的曲面形状。日月光天幕找形后在屋面结构用钢量相同情况下,屋面结构刚度提高10%(图5)。上海交响乐团音乐厅屋盖通过最小应变能方法优化后的截面形状,竖向挠度减小达25%(图6、图7)。

图5 日月光天幕结构找形Fig.5 Form finding of ASE Sky

图6 上海交响乐团音乐厅屋盖结构找形Fig.6 Form finding of Shanghai Symphony Orchestra Concert Hall roof structure

图7 上海交响乐团音乐厅找形前后挠度对比Fig.7 Comparison of deflection before and after form-finding of Shanghai Symphony Orchestra Concert Hall roof structure

1.3.3最小应变能找形分析

对于索结构,结构的找形分析非常重要。索结构的找形分析目的是找出结构的合理化形态和该形态下的预应力分布。结构的找形分析需要通过结构找形分析软件,经过循环计算找出合理的形态和预应力分布。

图8 结构找形分析后的形态与预应力分布Fig.8 Morphology and prestress distribution after structural form finding analysis

1.4 弹塑性分析中的常见问题

对大跨度钢结构进行整体极限承载力分析,有三个不同层次的验算内容。第一层次为线性整体稳定分析,即不考虑杆件的轴向变形,通过求解结构的初始稳定特征方程,得到结构的线性整体稳定临界荷载;第二层次为大位移几何非线性弹性整体稳定分析,即考虑杆件的轴向变形、p-δ效应和结构的大位移效应,通过搜索结构弹性切线刚度矩阵奇异时的荷载,得到完善结构和带缺陷结构的弹性大位移几何非线性整体稳定临界荷载;第三层次为几何非线性弹塑性整体稳定性分析,即在第二层次内容的基础上,再考虑构件材料弹塑性的影响,通过求得结构弹塑性切线刚度矩阵奇异时的荷载,得到结构的弹塑性整体稳定临界荷载[2]。

大跨度钢结构的弹塑性极限承载力分析属于结构整体稳定分析的内容之一。通常的大跨度钢结构的极限承载力分析为按照一致模态法考虑结构跨度的1/300作为的初始缺陷的双非线性极限承载力[3-4],这种方法是通过大量计算和工程实践得出的,具有一定的合理性,但是对大跨度钢结构设计时的挠度控制通常为1/600～1/400,结构的初始缺陷不可能超过结构在正常使用条件下的挠度限制达到跨度的1/300。实际结构每个杆件都有可能存在初始缺陷,因此合理的弹塑性极限承载力计算应考虑每根杆件的初始缺陷的影响。考虑结构每根杆件的初始缺陷对结构的整体弹塑性极限承载力实用计算方法,要将每根杆件打断成2个或4个单元,同时在每根杆件的中点施加杆件的长度的1/300的初始缺陷,然后进行结构的弹塑性极限承载力计算。考虑单根杆件的初始缺陷的弹塑性极限承载力与考虑结构整体初始缺陷的弹塑性极限承载力相比极限承载力有所降低,同时在弹塑性屈曲发展的过程中先出现单根杆件或者单个点的局部屈曲,但结构最终达到极限承载力屈曲为结构的整体屈曲。某结构的考虑单根杆件的初始缺陷的弹塑性极限承载力屈曲过程和荷载位移曲线分别如图9和图10所示。

考虑单根杆件初始缺陷极限承载力的荷载因子满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)中规定K>2.0的要求。对于特别重要的大跨度钢结构或者超限大跨度钢结构的极限承载力荷载因子适当提高。

图9 考虑单根杆件初始缺陷的屈曲过程Fig.9 Buckling process considering single member initial imperfection

图10 考虑结构整体缺陷与考虑单根杆件初始缺陷的屈曲承载力荷载位移曲线Fig.10 Bearing load-displacement curve considering whole structure and single member initial imperfection

1.5 结构形态对结构极限承载力的影响

按照空间结构的力流特性和传力效率来划分,大跨度空间结构体系可分为形态作用结构体系、向量作用结构体系和面作用结构体系(图11)。对于大跨度空间钢结构大部分属于形态作用结构体系和向量作用结构体系。

图11 结构体系分类Fig.11 Structural system classification

为了分析结构形态对结构极限承载力的影响取总长度相同的几种形状的平面结构。除形状不同外,结构的其余条件(跨度、构件总长、材料、截面、荷载等)完全相同,在给定均布线荷载下的应变能分别如图12所示。

图12 结构形状与应变能Fig.12 Structure shape and strain energy

通过分析可知以上几种形状中,应变能越低,单元应变能分布越均匀,轴压应变能占比越大(图13)。同时,应变能越小,初始切线刚度越高,同时极限承载力也越高(图14)。建议结构设计中选用形态作用较好的结构形态。

图13 结构形状与应变能Fig.13 Structure shape and strain energy

图14 不同形状结构的弹塑性极限承载力Fig.14 Elastic plastic ultimate bearing capacity of different shape structures

2 节点设计中的常见问题

2.1 支座设计中的常见问题

大跨度钢结构对边界条件非常敏感,结构边界刚度的变化对结构的内力分布和变形影响较大。大跨度钢结构的支座一般采用刚接和铰接两种形式(图15)。

图15 支座形式Fig.15 Seat form

实际结构中两种类型的节点不可能实现完全的刚接或者铰接,结构整体计算时采用支座的刚接假定或者铰接假定会与结构的实际受力性能有出入。采用弹性支座来模拟结构的实际刚度其最大问题是确定支座的刚度,一般情况下很难准确模拟出结构的实际刚度,因此在大跨度钢结构实际计算时应建出下部结构,考虑下部结构刚度对支座的受力影响,并按照实际受力情况进行支座设计。

2.2 节点细部构造对结构受力性能影响

大跨度空间钢结构常常遇到由于建筑造型引起结构受力不利的情况。比如某会展中心和内部建筑空间需要,采用内凹形张弦梁结构(图16)。

图16 某会展中心内凹形张弦梁结构Fig.16 Concave beam-string structure in an exhibition center

内凹形张弦梁本身平面外不稳定。为了解决内凹形张弦梁平面外稳定性问题,竖向撑杆与上部主梁连接采用具有平面刚度的节点(图17)。撑杆采用工字钢,上部节点两侧翼缘上伸,形成撑杆上端节点的两个耳板,主梁对应位置伸出四块耳板,这六块耳板共同形成两个铰,保证节点沿张弦梁方向能够转动,但垂直张弦梁方向形成力偶,可以抵抗撑杆平面外失稳时的弯矩,保证张弦梁平面外稳定。同时撑杆两侧布置两道斜拉索,作为第二道防线可以防止撑杆发生平面外失稳。

设计中应采用良好的节点细部构造,以提高整体结构的安全度。

图17 防止平面外失稳的节点构造(单位:mm)Fig.17 Joints detailing of preventing out-of-plane instability (Unit:mm)

3 结 论

本文对大跨度钢结构设计过程中的常见问题进行了研究和探讨,并提出了建议性的设计措施,得出以下结论:

(1) 提出了大跨度钢结构的设计的主要流程,总结了设计中静力分析和动力分析时要注意的问题和容易忽视的分析内容,提出了需要进行地震时程分析的大跨度钢结构类型。

(2) 对大跨度钢结构的弹塑性极限承载力分析提出了考虑单根杆件初始缺陷的极限承载力分析法,并与传统的极限承载力分析方法进行对比,说明改进的极限承载力分析方法更合理、准确。

(3) 分析了结构形态对结构极限承载力的影响,建议结构设计中选用形态作用较好的结构形态。

(4) 分析了大跨度钢结构支座节点常用形式和节点形式对结构受力性能的影响,提出了考虑下部结构刚度对支座的影响的设计方法。

(5) 分析了节点细部对结构受力性能的影响,建议设计采用良好的节点细部设计以提高整体的安全度。

参考文献

[1] 丁洁民,张峥.大跨度建筑钢屋盖结构选型与设计[M].上海:同济大学出版社,2013:91-95,156-163.

Ding Jiemin,Zhang Zheng.Structural form selection and design of large-span steel roof[M].Shanghai:Tongji University Press,2013:91-95,156-163.(in Chinese)

[2] 罗永峰,韩庆华,李海旺.建筑钢结构稳定理论与应用[M].北京:人民交通出版社,2010:8-12.

Luo Yongfeng,Han Qinghua,Li Haiwang.Stability of steel structures-the theory and implement[M].Beijing:China Communications Press,2010:8-12.(in Chinese)

[3] 曹正罡,范峰,沈世钊.单层球面网壳结构弹塑性稳定性能研究[J].工程力学.2007,24(5):17-23.

Cao Zhenggang,Fan Feng,Shen Shizhao.Study on elastic plastic stability of single layer spherical reticulated shell structures[J].Engineering Mechanics,2007,24(5):17-23.(in Chinese)

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 7—2010 空间网格结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 7—2010 Technical specification for space frame structures[S].Beijng:China Architecture& Building Press,2010.(in Chinese)

[5] 张月强,丁洁民,张铮.大跨度钢结构抗连续倒塌动力分析关键问题研究[J].建筑结构学报.2013,35(4):49-56.

Zhang Yueqiang,Ding Jiemin,Zhang Zheng.Study on the key issues of dynamic analysis for the large span steel structure’s resisting progressive collapse[J].Journal of Building Structures,2013,35(4):49-56.(in Chinese)

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50017—2003 Code for design of steel structures[S].Beijng:China Planning Press,2003.(in Chinese)