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1、某幕墙支撑网壳结构设计分析 王鑫 华东建筑设计研究总院 摘 要： 某幕墙支撑结构采用单层柱面网壳形式, 结合建筑形态和结构性能确定了网格和构件截面形式, 基于有限元软件 SAP 2000 和 ANSYS, 对网壳结构进行了特征值屈曲分析, 得到了构件计算长度系数;同时进行了非线性全过程分析。结果表明, 该网壳结构具有较好的整体稳定性。关键词： 幕墙支撑; 网壳结构; 屈曲分析; 计算长度; 全过程非线性分析; 作者简介：王鑫, 男, 1985 年出生, 硕士。Email:wxpL收稿日期：2017-07-13DESIGN AND ANALYSIS OF A LATTICED SHELL IN
2、A CURTAIN WALL SUPPORT STRUCTUREWANG Xin East China Architectural Design & Research Institute Co.Ltd; Abstract： Single-layer cylindrical latticed shell was adopted in a curtain wall support structure. Grid division and section form were determined according to the architectural morphology and struct
3、ure performance. Based on the finite element softwares SAP 2000 and ANSYS, the effective length factor of the slope column was obtained by eigenvalue buckling analysis. Meanwhile, the nonlinear full-range analysis was conducted. The results indicated that the overall stability of the structure could
4、 be assured.Keyword： curtain wall support structure; latticed shell structure; buckling analysis; effective length; nonlinear full-range analysis; Received： 2017-07-131 工程概况本工程位于山东省青岛市, 为一幢 26 层的高层酒店, 主体结构高度约 99 m, 采用混凝土框架-剪力墙结构。其玻璃幕墙支撑结构呈筒壳形, 最大跨度约 50 m、高度约 80 m, 竖向投影面积约 4 000 m。如图 1、图 2 所示, 幕墙支撑结构
5、立于主体结构标高 14.800 m 处的 4 层屋顶花园混凝土外环梁之上, 在平面的两端和平面的中部以及标高 99.200 m 屋顶处, 与主体结构相连。该幕墙支撑结构竖向放置, 受力形式和边界条件不同于常规卧放的柱面网壳结构, 其风荷载垂直于柱面, 而竖向荷载方向则位于柱面内, 分析和设计时存在一定特殊性。2 结构布置及荷载取值2.1 结构布置幕墙支撑的结构体系, 可根据幕墙的建筑形态及主体结构能提供的支撑条件选择单层柱面网壳结构。通过多种网格尺寸和水平撑杆布置形式的对比, 综合考虑建筑效果, 选择将斜柱立于主体结构 4 层屋顶花园混凝土外环梁之上, 水平向则在两端与主体结构伸出的型钢混凝土
6、悬挑梁相接, 并在水平向跨度约三等分点处设水平撑杆与主体结构剪力墙相连, 水平撑杆每两层设置 1 道以减小网壳跨度, 并提高网壳结构的整体稳定性。图 1 幕墙支撑结构内景 下载原图a正视;b仰视。图 2 幕墙支撑结构整体示意 下载原图1顶部梁;2水平撑杆;3弧梁;4斜柱。斜柱截面采用50030016 (1620) 22, 弧梁截面采用48030016 (1625) 30, 水平撑杆采用 29916, 顶部梁采用HN6002001620。幕墙支撑钢结构的水平荷载主要由弧梁承担, 斜柱主要承担竖向荷载, 同时也协同水平弧梁抵抗部分水平荷载。主体混凝土结构对幕墙支撑结构的支承, 近似用固定铰支座模拟
7、, 所有杆件均采用梁单元模拟, 弧梁和斜柱刚接。结构的设计采用 SAP2000 进行, 屈曲分析和全过程非线性分析采用 AN-SYS 进行, 分析模型如图 3 所示。图 3 幕墙支撑结构分析模型 (SAP 2000) 下载原图2.2 荷载取值结构分析中主要考虑了以下荷载:静荷载按实际作用在幕墙支撑结构上的荷载进行加载;风荷载按 GB 500092012建筑结构荷载规范确定, 基本风压 0.6 k N/m, 按对称风压、风吸以及反对称风压、风吸进行加载并计算;抗震设防烈度为 6 度, 设计地震分组为第三组, 场地类别为类, 特征周期 Tg为 0.35 s;幕墙支撑结构阻尼比为 0.02;考虑升温
8、和降温各 30。3 特征值屈曲分析及杆件计算长度确定本幕墙支撑结构虽形似柱面网壳, 但其竖向放置, 受力形式和边界条件不同于常规卧放的柱面网壳结构, 如弧梁和斜柱平面外计算长度系数的取值, 不宜直接取用 JGJ 72010空间网格结构技术规程1提供的数值。每层的水平弧梁, 平面外计算长度可以近似取弧梁总跨度三等分点之间的长度, 而斜柱从 4 层标高至屋顶标高总长约 82.8 m, 显然不能取整个高度作为计算长度, 需要做进一步的分析。以下采用两种方法, 各自得出相应的计算长度系数, 并以最大值用于最终设计。为简明起见, 仅以其中 1 根斜柱为例, 给出其计算长度。1) 方法一:将斜柱按支撑于以
9、拱形弧梁为弹性支座的连续压弯构件考虑2-3, 如图 4 所示。拱形弧梁弹簧刚度 S 按单位力法求得, 经计算, 斜柱计算长度 Le为 11.22 m。图 4 简化压弯构件模型 下载原图2) 方法二:通过分析斜柱的屈曲模态, 根据欧拉公式, 反推得到计算长度4。特征值屈曲分析采用 ANSYS 进行。通过屈曲分析, 可大致得到幕墙支撑结构的屈曲形态, 初步了解结构的整体稳定性能, 求得的临界荷载可作为确定安全系数的基础5。图 5 为 ANSYS 分析得到的幕墙支撑结构前两阶屈曲模态。每一个屈曲特征值只能用于计算相应模态下位移最大区域的杆件计算长度。可采用分片加载的办法6, 求出相应杆件的临界屈曲荷
10、载 Pcr, 从而得到各自的计算长度。根据第 1阶屈曲模态, 得到斜柱的计算长度 Le=14.97 m。方法一按连续压弯构件考虑与方法二按整体屈曲分析反推得到的计算长度有较小误差, 但是较为接近, 最终按两者较大值进行斜柱的设计。图 5 幕墙支撑前两阶屈曲模态 下载原图a1 阶;b2 阶。通过两种分析方法可见, 拱形弧梁对于斜柱确实起到了弹性支撑的作用, 减小了斜柱的平面外计算长度。当然斜柱本身与拱形弧梁是协同工作的, 两者形成整体柱面网壳, 在水平撑杆和主体结构的支撑下抵抗自重和其他各种作用。4 非线性全过程分析线性特征值屈曲分析没有考虑结构屈曲前变形的影响, 也无法描述结构屈曲后性能, 因
11、此有必要进行结构的非线性荷载-位移全过程分析, 分析由 ANSYS 进行, 采用弧长法。其中风荷载作用分为对称分布和反对称分布两种情况, 其风载体型系数近似按图 6 考虑。图 6 风载体型系数 下载原图分析考虑了结构的初始几何缺陷, 假定其按最低阶屈曲模态分布, 缺陷幅值按跨度的 1/300 确定。分析按仅考虑几何非线性以及同时考虑几何、材料双重非线性两种情况进行, 结果如图 7 所示。在对称风荷载作用下, 考虑初始缺陷的几何非线性分析得到的结构安全系数为16.25, 考虑初始缺陷的几何、材料双重非线性分析得到的结构安全系数为10.0;反对称风荷载作用下, 考虑初始缺陷的几何非线性分析得到的结
12、构安全系数为 14.3, 考虑初始缺陷的几何材料双非线性分析得到的结构安全系数为7.5。该网壳结构的安全系数在考虑几何非线性时大于 4.2, 考虑几何、材料双重非线性时大于 2.0, 能满足结构整体稳定要求。图 7 风荷载作用下荷载-位移全过程曲线 下载原图由图 7 可以看出:考虑初始缺陷并考虑材料非线性后, 安全系数变幅较大, 可见对该工程而言, 结构整体极限承载能力受材料非线性影响较大, 结构最终是由于杆件较多进入塑性而无法继续承载, 属于强度破坏。此时, 结构并未发生整体失稳, 表明结构整体稳定性较好, 极限承载能力较强。另外, 由对称风载和反对称风载下得到的安全系数可见, 风荷载的不同
13、分布形式对网壳结构的整体稳定性有较大影响, 反对称风载下结构的稳定性有所降低。考虑到每两个楼层设置的水平撑杆对于整个柱面网壳起到了至关重要的作用, 因此, 考察水平撑杆失效时, 结构的整体稳定情况。为简化分析, 直接对去掉水平撑杆的网壳结构进行几何、材料双重非线性分析, 结果如图 8 所示。由此可见, 即便水平撑杆失效, 结构仍具有一定的整体稳定性, 结构安全系数大于 2.0, 满足 JGJ72010 的要求。图 8 风荷载作用下荷载-位移全过程曲线 下载原图5 结束语本工程幕墙支撑结构跨度较大, 受力形式和边界条件区别于常规柱面网壳结构, 分别通过特征值屈曲分析和几何非线性分析以及几何、材料
14、双重非线性分析对幕墙支撑结构整体稳定和构件计算长度进行了研究。得出以下结论:1) 柱面网壳结构中拱形弧梁对于斜柱计算长度的减小作用明显, 材料非线性对结构整体极限承载能力有显著的影响, 反对称风载下结构的稳定性较对称风载时有所降低。2) 分析和设计时应综合考虑初始缺陷、几何非线性和材料非线性以及荷载分布形式。3) 最终分析结果表明, 本工程网壳结构整体稳定性较好, 能满足规范 JGJ 72010 的要求。参考文献1中华人民共和国住房和城乡建设部.空间网格结构技术规程:JGJ 72010S.北京:中国建筑工业出版社, 2010. 2陈骥.钢结构稳定理论与设计M.4 版.北京:科学出版社, 2008. 3陈绍蕃.钢结构稳定设计M.2 版.北京:中国建筑工业出版社, 2004. 4王元清, 刘莉媛.合肥新桥国际机场柱计算长度及曲梁参数分析J.沈阳建筑大学学报 (自然科学版) , 2011, 27 (3) :474-479. 5董石麟, 罗尧治, 赵阳, 等.新型空间结构分析、设计与施工M.北京:人民交通出版社, 2006. 6张永园, 郭成喜, 谢如荣, 等.某玻璃幕墙空间钢框架计算长度分析J.钢结构, 2010, 25 (3) :33-36.
