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1、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、 7.0 m、 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 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
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
3、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
4、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 14457kN 46.1% 1.51/1.28/1.19 4.29 Y向 11026kN 35.9% 4.52 与上部结构滑动 (抗侧刚度释放 ) X向 4010kN 11.4% 1.63/1.39/1.30 2.24 Y向 4090kN 12.0% 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
5、、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
6、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
7、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
8、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) 2.087 2.395 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
9、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
10、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
11、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
12、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 (%) 0 mm 141458 / h/1000（ 10mm） 141356 0.32 h/500（ 20mm） 141287 0.37 h/
13、333（ 30mm） 141046 0.54 h/250（ 40mm） 140801 0.71 h/200（ 50mm） 140706 0.78 h/166（ 60mm） 140190 1.14 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
14、 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 1:1 1:2 1:3.5 1:4 1:5 结构极限承载力（ kN） 154805 38838 12613 9696 6209 比值 1 1/3.987 1/12.273 1/15.966 1/24.932 各缩尺比例大网格筒极限承载力 缩尺比例 1:1 1:2 1:3.5 1:4 1:5 结构极限承载力（ kN） 154946 39131 12659 9671 6191 比值 1 1/3.960 1/12.240 1/16.022 1/25.028 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
