創(chuàng)新組合殼體！八角灣游泳館大跨屋蓋技術(shù)

摘要

 基于八角灣國(guó)際體育中心游泳館項(xiàng)目,提出一種新型鋼網(wǎng)格-混凝土組合殼體結(jié)構(gòu),結(jié)合了混凝土薄殼與鋼網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)參數(shù)化分析研究了混凝土薄殼厚度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響,結(jié)果表明:組合殼體的豎向位移、弦桿軸力及支座徑向反力隨混凝土厚度增加而減小,但厚度超過(guò)40mm后變化趨緩;考慮初始缺陷的幾何非線性穩(wěn)定安全系數(shù)約為鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的4.7倍,塑性折減系數(shù)為0.33。對(duì)比分析了徑向翼墻的截面高度設(shè)計(jì),頂截面由抗剪承載力控制,底截面通過(guò)樓板拉應(yīng)力綜合判定。此外,對(duì)入口休息廳和屋頂人行步道的舒適度及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)異,可適應(yīng)局部重載需求。

八角灣國(guó)際體育中心位于煙臺(tái)市八角灣中央創(chuàng)新區(qū),項(xiàng)目包括1萬(wàn)座坐席大型甲級(jí)體育館、體商共建共享的全民健身中心以及能承載多種水上活動(dòng)的游泳館,建筑效果圖見(jiàn)圖1。游泳館建筑面積為10727m2,平面呈橢圓形,屋蓋尺寸為57.5m(短軸)×98m(長(zhǎng)軸),結(jié)構(gòu)高度為11.5m,地下設(shè)1層地下室,地上1層。其中地下部分層高為6m,地上部分層高為2～13m。游泳館與體育館、全民健身中心之間設(shè)1道防震縫(兼做溫度縫)。建筑總平面示意圖如圖2所示。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度[1],抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)(丙類(lèi))。設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,設(shè)計(jì)工作年限為50年。

游泳館地下室主要功能為設(shè)備機(jī)房,典型柱網(wǎng)尺寸為8.4、9m,地上1層為開(kāi)敞無(wú)柱的泳池區(qū)(圖3),地下部分采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),地上橢球形大跨屋蓋支承于地下室擋墻上。0.000標(biāo)高處的入口休息廳采用鋼桁架形式從屋蓋結(jié)構(gòu)向內(nèi)懸挑,懸挑長(zhǎng)度12.5m,見(jiàn)圖3。西側(cè)屋頂設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)40m、平面呈月牙形的人行步道,見(jiàn)圖2;同時(shí)考慮采光需求在屋蓋中部設(shè)置一個(gè)11m×17m的橢圓形天窗,見(jiàn)圖3。結(jié)構(gòu)剖面如圖4所示,屋蓋矢高為11.5m,長(zhǎng)軸矢跨比為1/8.7,短軸矢跨比為1/5.1。

項(xiàng)目難點(diǎn)為橢球形大跨屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),既要克服局部大懸挑、頂部開(kāi)設(shè)大洞口等結(jié)構(gòu)難點(diǎn),又要滿足屋蓋人行步道舒適度和室內(nèi)混凝土頂?shù)慕ㄖ�效�?初步方案采用鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)或鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

混凝土薄殼結(jié)構(gòu)歷史悠久,早在古羅馬時(shí)期的教堂就已經(jīng)采用了這種結(jié)構(gòu)形式[2],由于混凝土具有優(yōu)異的受壓性能,非常適用于拱形或球形結(jié)構(gòu),同時(shí)該結(jié)構(gòu)形式具有剛度大、隔熱效果好、耐久性好、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),但施工過(guò)程需要大量的模板及臨時(shí)支撐,薄殼成形后又需要將其拆除,模板的重復(fù)利用率很低,建造效率低,因此施工費(fèi)用高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題一直是制約該類(lèi)結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的主要因素[3]。

鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟,具有自重輕、跨越能力大的優(yōu)點(diǎn)[4],但是為了滿足建筑效果需要采用較重的混凝土板吊頂,同時(shí)樓蓋人行步道、頂部大洞口、局部?jī)?nèi)掛大懸挑樓蓋等建筑需求使得屋面舒適度、承載力和穩(wěn)定性都不易滿足,而且游泳館室內(nèi)的強(qiáng)腐蝕環(huán)境使得鋼結(jié)構(gòu)后期維護(hù)費(fèi)用高。因此用鋼量高、經(jīng)濟(jì)性差也是該體系運(yùn)用于本項(xiàng)目面臨的主要問(wèn)題。www.imycd.cn

基于上述兩種體系用于本項(xiàng)目各自存在的問(wèn)題,且結(jié)合混凝土薄殼與鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)各自?xún)?yōu)點(diǎn),筆者創(chuàng)新性地提出了一種新型鋼網(wǎng)格-混凝土組合殼體結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)受力方面,混凝土薄殼面內(nèi)受壓性能優(yōu)異但抗彎能力弱,鋼網(wǎng)格面外抗彎能力強(qiáng)但穩(wěn)定性差,兩種結(jié)構(gòu)組合后優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),組合殼體具有更高的剛度、承載力、穩(wěn)定性;在施工工藝方面,鋼網(wǎng)格施工完成后可以作為混凝土殼體施工的臨時(shí)支撐,無(wú)需搭設(shè)施工腳手架等臨時(shí)支撐體系,具有施工方便、周期短、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn);在結(jié)構(gòu)耐久性方面,下層混凝土薄殼可以作為上層鋼網(wǎng)格的保護(hù)層,大幅提高鋼結(jié)構(gòu)的防火、防腐性能,后期維護(hù)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖5為組合殼體結(jié)構(gòu)示意圖,其中混凝土薄殼采用120mm厚C30混凝土,鋼網(wǎng)格采用肋環(huán)型正交平面桁架,桁架桿件以熱軋薄壁方鋼管截面為主,經(jīng)過(guò)網(wǎng)格大小的比較分析,共設(shè)置環(huán)向桁架8榀、徑向桁架58榀。綜合考慮桁架內(nèi)穿風(fēng)管以及內(nèi)部人員檢修等因素,徑向桁架采用根部高度1.25m、頂部高度0.85m的變高度桁架,短軸高跨比為1/68～1/46,長(zhǎng)軸高跨比1/115～1/78。結(jié)構(gòu)整體模型如圖6所示。

鋼-混凝土組合殼體結(jié)構(gòu)中混凝土殼體厚度是影響結(jié)構(gòu)性能的重要因素,本文通過(guò)對(duì)混凝土殼體厚度進(jìn)行參數(shù)化分析,研究殼體不同厚度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。利用MIDAS Gen軟件進(jìn)行計(jì)算分析,桁架弦桿采用梁?jiǎn)卧?腹桿為桿單元,混凝土薄殼采用薄板單元。根據(jù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),桁架弦桿軸力最大的位置為屋蓋結(jié)構(gòu)底部與混凝土擋墻連接處,于是重點(diǎn)考察圖7所示A、B、C、D典型位置的支座徑向反力、桁架弦桿軸力以及屋蓋最大豎向位移隨殼體厚度的變化規(guī)律。

混凝土殼體厚度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響分析結(jié)果如圖8所示,由圖可見(jiàn),結(jié)構(gòu)最大豎向位移、桁架弦桿軸力均隨混凝土殼厚度增加大幅減小,并且殼體厚度在40mm以?xún)?nèi)時(shí)減小幅度較大,大于40mm時(shí)變化幅度逐漸減小。通過(guò)圖8(b)可以看出,A、C位置(長(zhǎng)軸端點(diǎn))的支座反力隨殼體厚度增加而減小,B、D位置(短軸端點(diǎn))的支座反力隨殼體厚度增加而略有增大,因此橢球形殼體結(jié)構(gòu)隨剛度的增加,結(jié)構(gòu)傳力路徑更趨向于沿短跨方向,并且與最大豎向位移、桁架弦桿軸力表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,厚度大于40mm時(shí)變化幅度逐漸減小。

綜上可知,在混凝土殼體厚度大于40mm的前提下,適當(dāng)小的厚度具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性,考慮桁架網(wǎng)格跨度、施工工藝以及室內(nèi)強(qiáng)腐蝕環(huán)境等因素,本項(xiàng)目最終選用120mm厚混凝土薄殼。

混凝土薄殼與鋼結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造如圖9所示,為了保證混凝土殼體壓力可以有效地傳遞,設(shè)計(jì)桁架下弦桿截面高度與混凝土薄殼厚度一致。下弦桿的下翼緣板向兩側(cè)外伸耳板,耳板上設(shè)置抗剪栓釘,將免拆模鋼筋桁架樓承板支承于鋼耳板上,其中鋼筋桁架的下弦鋼筋與耳板焊接連接,上弦鋼筋通過(guò)L形短鋼筋與鋼管連接,可以為后續(xù)工人綁扎鋼筋和澆筑混凝土提供施工作業(yè)平臺(tái)。待混凝土澆筑完成后,通過(guò)噴射混凝土工藝在下表面噴射20～40mm細(xì)石混凝土,保護(hù)下弦桿和耳板下表面,且同時(shí)保證混凝土下表面的完整度。

為了提高二次噴射混凝土與鋼筋桁架底模的粘結(jié)性能,鋼筋桁架底模制作時(shí)預(yù)埋短栓釘,并在噴射混凝土前掛1層3×50規(guī)格的防裂鋼筋網(wǎng)片。整個(gè)混凝土殼體曲面由各網(wǎng)格平面擬合而成,按最大曲率處網(wǎng)格計(jì)算,平面與曲面最大誤差為7.1‰(最大處徑向距離與網(wǎng)格尺寸的比值),這種“以平代曲”的方式既可以大幅節(jié)約施工費(fèi)用,又能滿足建筑室內(nèi)效果需求。

屋蓋為橢球形殼體結(jié)構(gòu),動(dòng)力特性不同于常規(guī)的高層結(jié)構(gòu),振型相對(duì)密集,各階振型間頻率差異較小,未見(jiàn)明顯的主振型。圖10給出了前4階振型,均為局部豎向振動(dòng)為主,前4階自振周期分別為0.265、0.257、0.253、0.209s。

由于增設(shè)了1層混凝土薄殼,相較于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,鋼網(wǎng)格-混凝土組合殼體屋蓋具有更大的水平和豎向剛度,圖11給出了最大豎向及水平位移(D為恒荷載工況,L為活荷載工況,T-為降溫工況,最大豎向位移約為38.2mm,小于跨度的1/400(144mm)。水平地震作用下最大水平位移約為4.9mm,參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值,遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)高度的1/250(46mm),說(shuō)明該屋蓋結(jié)構(gòu)有較大的豎向和水平剛度。

對(duì)于殼體結(jié)構(gòu),其整體穩(wěn)定性決定了結(jié)構(gòu)的極限承載力[5],首先對(duì)屋蓋進(jìn)行特征值屈曲分析,可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)屈曲荷載的上限和可能失穩(wěn)的形態(tài)。前4階屈曲模態(tài)結(jié)果如圖12所示,ki(i=1,2,3,4)為屈曲因子。

將前4階屈曲模態(tài)作為初始幾何缺陷分別引入結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中,結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷最大值Δ取跨度的1/300[6],由于短跨向最大跨度為57.5m,初始缺陷值最大值取為191.7mm。同時(shí)與未設(shè)置下層混凝土薄殼的鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比較,室內(nèi)僅考慮裝飾吊頂荷載�？紤]幾何非線性的穩(wěn)定性分析結(jié)果見(jiàn)表1,表中的安全系數(shù)均是采用各階屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷分布模態(tài)分析得到的結(jié)果。

表1   考慮幾何非線性的穩(wěn)定性分析結(jié)果

由表1可以看出,鋼網(wǎng)格-混凝土組合殼體相較于鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)僅增設(shè)了1層混凝土薄殼,穩(wěn)定性便大幅提升,考慮初始缺陷的幾何非線性穩(wěn)定安全系數(shù)約為鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的4.7倍,同時(shí)滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[6](簡(jiǎn)稱(chēng)空間網(wǎng)格規(guī)程)中安全系數(shù)不小于4.2的要求。鋼網(wǎng)格-混凝土組合殼體第1、2階幾何非線性穩(wěn)定分析安全系數(shù)均大于屈曲因子,這是由于第1、2階屈曲模態(tài)為休息廳入口處徑向桁架局部失穩(wěn),但該局部屈曲對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定影響較小,而安全系數(shù)是結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)時(shí)的荷載安全儲(chǔ)備倍數(shù),安全系數(shù)大于屈曲因子,進(jìn)一步說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有較高的冗余度,局部構(gòu)件失穩(wěn)并未影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

利用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性的穩(wěn)定分析,其中混凝土薄殼采用考慮鋼筋布置的分層殼單元,鋼桁架桿件采用B31梁?jiǎn)卧?鋼材本構(gòu)關(guān)系為雙折線理想彈塑性模型[7],選用von Mises屈服準(zhǔn)則,混凝土采用彈塑性損傷模型。

考慮雙非線性的穩(wěn)定性分析結(jié)果如表2所示,安全系數(shù)為9.15,滿足空間網(wǎng)格規(guī)程要求,同時(shí)結(jié)合表1中幾何非線性穩(wěn)定性分析結(jié)果,可以求得該結(jié)構(gòu)的塑性折減系數(shù)約為0.33,小于空間網(wǎng)格規(guī)程中給出的鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)塑性折減系數(shù)0.47。

表2   考慮雙非線性的穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖13為結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)破壞時(shí)混凝土損傷及鋼構(gòu)件應(yīng)力圖。由圖可見(jiàn):混凝土薄殼受拉損傷主要出現(xiàn)在底部一周,這是殼體受壓時(shí)在底部出現(xiàn)沿環(huán)向的拉應(yīng)力導(dǎo)致;受壓損傷主要出現(xiàn)在較寬洞口附近,這是由于殼體開(kāi)洞削弱了截面,使得洞口附近單元壓應(yīng)力增加;進(jìn)入塑性階段的鋼構(gòu)件主要為跨中天窗附近、縱向桁架根部弦桿以及豎向集中力較大位置(入口休息廳、屋頂人行步道處)。

根據(jù)上述現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)采取以下加強(qiáng)措施:1)跨中天窗處及休息廳入口處混凝土殼加厚至150mm;2)底部一周靠近支座的混凝土殼加厚至150mm;3)擋墻頂沿環(huán)向設(shè)置暗梁提高底部環(huán)向抗拉承載力;4)對(duì)進(jìn)入塑性區(qū)域的鋼構(gòu)件控制計(jì)算應(yīng)力比不超過(guò)0.7。

大跨度混凝土殼體在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力并在應(yīng)力集中位置產(chǎn)生溫度裂縫[8],因此需要進(jìn)行溫度應(yīng)力分析,針對(duì)性地提出局部加強(qiáng)措施。

采取60d的混凝土后澆帶封閉期對(duì)收縮當(dāng)量溫差進(jìn)行計(jì)算,合攏溫度為10～20℃,考慮混凝土徐變引起的應(yīng)力松弛折減系數(shù)為0.4,微裂縫引起的混凝土剛度折減系數(shù)為0.85[9-10],在計(jì)算模型中用彈性膜模擬混凝土殼,依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[11]建議折減系數(shù)通過(guò)調(diào)整混凝土彈性模量的手段進(jìn)行計(jì)算分析。

圖14為升溫組合、降溫組合下混凝土薄殼應(yīng)力。可以看出升溫組合下混凝土幾乎全部為壓應(yīng)力,僅洞口附近出現(xiàn)少量受拉區(qū)域,最大拉應(yīng)力為0.62MPa,均不超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa。降溫組合下混凝土應(yīng)力以受壓為主,洞口附近少量單元出現(xiàn)沿環(huán)向拉應(yīng)力,殼體底部部分單元出現(xiàn)沿徑向拉應(yīng)力,其中最大拉應(yīng)力為2.39MPa,出現(xiàn)在短軸兩端的底部位置。因此通過(guò)在洞口處增設(shè)構(gòu)造鋼筋的措施預(yù)防裂縫,同時(shí)對(duì)于拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的區(qū)域,以鋼筋承受該截面所有拉應(yīng)力為原則增大殼體配筋[12]。

擋墻作為屋蓋結(jié)構(gòu)的支承體系,需要有足夠的抗側(cè)剛度來(lái)抵抗水平推力,于是沿地下室一周放射狀布置鋼筋混凝土翼墻(圖15),翼墻的厚度根據(jù)其受荷寬度設(shè)置為450、600mm兩種,翼墻頂端承受屋蓋傳來(lái)的水平推力,頂截面高度應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[13]中受剪截面限制條件,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,翼墻頂截面高度取2250mm。

對(duì)于底截面高度,一方面要考慮經(jīng)濟(jì)性因素,另一方面還要保證足夠的抗側(cè)剛度,特別對(duì)于1層泳池區(qū)混凝土樓板裂縫的控制應(yīng)重點(diǎn)考慮,若翼墻的剛度較小,則翼墻的水平變形會(huì)導(dǎo)致1層樓板產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,因此分別對(duì)比分析底截面高度為2.5、3.5、4.5、5.5m四種情況,考察1層混凝土樓板的應(yīng)力分布情況進(jìn)行綜合判斷。

不同翼墻底截面尺寸下1層樓板應(yīng)力結(jié)果如圖16所示,紅色填充區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力超過(guò)C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值部分,可以看出隨著翼墻底截面高度增加,填充區(qū)域面積逐漸減小。2.5、3.5m情況下超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的范圍較大,無(wú)法滿足泳池區(qū)的使用功能要求,因此底截面高度主要采用4.5m,樓板拉應(yīng)力基本滿足不超過(guò)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa,僅翼墻附近及洞口角部少量單元拉應(yīng)力超限,在相應(yīng)位置采用附加鋼筋的方法抵抗多余的拉應(yīng)力,控制裂縫寬度。

屋面局部荷載較大的區(qū)域?yàn)槿肟谛菹�廳和屋頂人行步道處,其中入口休息廳通過(guò)桁架的方式從屋蓋結(jié)構(gòu)向內(nèi)懸挑,最大懸挑長(zhǎng)度為12.5m,樓面梁均采用焊接H形鋼H450×250×12×22,懸挑桁架豎腹桿及斜腹桿采用圓鋼管φ227×16,入口休息廳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖17所示。屋頂人行步道呈月牙形,通過(guò)設(shè)置斜柱的方式來(lái)達(dá)到一種“漂浮”于屋面上的效果,斜柱采用圓鋼管φ150×12,平臺(tái)梁采用焊接矩形鋼管□400×200×12×12,屋頂人行步道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖18所示。

對(duì)于這種內(nèi)部單側(cè)大懸挑或局部上人的大跨屋蓋結(jié)構(gòu),舒適度是一個(gè)需要重點(diǎn)考察的問(wèn)題。入口休息廳考慮投入使用后可能用作賽前熱身場(chǎng)地或健身活動(dòng)場(chǎng)地,依據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[14](簡(jiǎn)稱(chēng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)),有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)為主的樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行舒適度驗(yàn)算,本工程按照20人有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)計(jì)算,作用范圍選取為結(jié)構(gòu)最不利的懸挑最遠(yuǎn)端(圖17中紅色陰影范圍),激勵(lì)荷載參考舒適度標(biāo)準(zhǔn)及《建筑振動(dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51228—2017) [15],計(jì)算得到的最不利點(diǎn)加速度時(shí)程曲線如圖19(a)所示,均未超過(guò)舒適度標(biāo)準(zhǔn)限值0.5m/s2;屋頂人行步道按照舒適度標(biāo)準(zhǔn)中連廊及天橋的要求輸入激勵(lì)荷載,計(jì)算得到的最不利點(diǎn)加速度時(shí)程曲線如圖19(b)所示,均未超過(guò)舒適度標(biāo)準(zhǔn)限值0.15m/s2。

采用ABAQUS軟件對(duì)入口處懸挑休息廳的關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)(圖20)進(jìn)行有限元分析。鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q355B級(jí),桿件連接采用相貫焊,在屋面桁架下弦桿內(nèi)相應(yīng)位置設(shè)置四道橫向加勁板,懸挑桁架斜腹桿內(nèi)設(shè)置一道橫向加勁板,在屋面桁架下弦桿與懸挑桁架斜腹桿內(nèi)相應(yīng)H形鋼梁腹板位置設(shè)置縱向加勁板,加勁板厚度同對(duì)應(yīng)的翼緣或腹板厚度。

在荷載包絡(luò)組合中,荷載組合1.3D+1.5L+0.9T-下的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力最大,故選此組合對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算,同時(shí)選取罕遇地震彈性組合1.3(D+0.5L)+0.5Ey+1.3Ez進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算,分析結(jié)果如圖21所示。由圖21可見(jiàn),兩種荷載組合下節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力分別為274.0MPa和241.9MPa,均小于相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305MPa,處于彈性階段。并且最大應(yīng)力僅出現(xiàn)在個(gè)別角部區(qū)域,大部分單元應(yīng)力在200MP以下,表明該節(jié)點(diǎn)具有一定的安全儲(chǔ)備。

(1)通過(guò)對(duì)混凝土殼體厚度進(jìn)行參數(shù)化分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最大豎向位移、桁架弦桿軸力均隨混凝土殼厚度增加大幅減少,并且殼體厚度在40mm以?xún)?nèi)時(shí)減小幅度較大,大于40mm時(shí)變化幅度逐漸減小。本項(xiàng)目根據(jù)分析結(jié)果并綜合考慮桁架網(wǎng)格跨度、施工工藝以及室內(nèi)強(qiáng)腐蝕環(huán)境等因素,最終采用120mm厚混凝土薄殼。

(2)對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及水平、豎向位移,均滿足規(guī)范要求;對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特征值屈曲模態(tài)分析、幾何非線性穩(wěn)定分析,發(fā)現(xiàn)鋼網(wǎng)格-混凝土組合殼體相較于鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu),考慮初始缺陷的幾何非線性穩(wěn)定安全系數(shù)約提高了3.7倍。同時(shí)對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了雙非線性穩(wěn)定性分析,得到了考慮材料非線性的塑性折減系數(shù)為0.33,給出了結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的損傷情況。

(3)在溫度作用下,混凝土薄殼最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在洞口附近及底部一周位置,對(duì)于拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的區(qū)域,本項(xiàng)目以附加鋼筋的方式預(yù)防裂縫的開(kāi)展,以鋼筋承受該截面所有拉應(yīng)力為原則增大殼體配筋。

(4)屋蓋結(jié)構(gòu)對(duì)地下室產(chǎn)生的水平推力需要在支承擋墻位置沿徑向均勻地設(shè)置翼墻來(lái)抵抗,其中翼墻頂截面高度由抗剪截面限制條件確定,底截面高度分別對(duì)比分析了2.5、3.5、4.5、5.5m四種情況,根據(jù)1層混凝土樓板的應(yīng)力分布情況進(jìn)行綜合判斷,最終采用底截面高度為4.5m。

(5)對(duì)入口休息廳、屋頂人行步道進(jìn)行了舒適度分析,得到的一階豎向頻率及最大豎向加速度均滿足規(guī)范要求。同時(shí)選取關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化有限元分析,在各種荷載組合下均處于彈性階段,并且大部分單元應(yīng)力在200MPa以下,表明該節(jié)點(diǎn)具有一定的安全儲(chǔ)備。