郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖抗震计算分析

郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖抗震计算分析熊猛,等:郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖抗震计算分析郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖抗震计算分析熊猛李纪红刘锡朝李亚民(机械工业第六设计研究院技术质量部郑州450007)摘要郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖具有大跨度,悬吊荷载大,悬臂等特点,采用空间钢结构桁架的屋盖形式.利用SAP2000软件对其进行抗震计算,对其计算结果结合我国有关标准进行分析,得出钢结构屋盖的安全性结论,提出空间钢结构桁架抗震设计的建议.关键词钢结构屋盖抗震计算空间桁架ANALYSiS0FASEISMICCoMPUTATIoNoFEXHIBITIoNCENTER'SSTEELTRUSSRooFoFZHENGZHoUINTERNATIoNALCoVENTIoNANDEXHIBITIoNCENTER(ZZICEC)XiongMengLiJihongLiuXichaoLiYamln(Technology&QualityDepartment,No.6InstituteofProjectDesign&ResearchofMachineryIndustryZhengzhou450007)ABSTRACTDuetothecharactersofLarge—span,heavysuspendedloadandcantilever,thespacesteeltrussisadoptedfortheroofofexhibitioncenterofZZICEC.UsingthesoftwareofSAP2000todoaseismiccomputation,whoseresultsshouldbeanalyzedbycombiningwiththedesigncodeofourcountry.Itisgiventhesafeconclusionofthesteeltrussroof.Finally,therelatedproposalsforaseismicdesignofspacesteeltrussarepresented.KEYWORDSstee1trussroofaseismiccomputationspacetruss1概述位于地震区的大跨度建筑,由于跨度的增大和结构形式的复杂化必然会给抗震带来一些不利的因素.但在以前诸多的地震中还未出现钢结构屋盖整体垮塌的历史纪录.究其原因主要是一般屋架仅用于支撑屋面系统,屋面荷载及自重都比拟轻,而且空间结构本身刚度较好,所以震害较轻_1].郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖跨度较大,屋盖结构需预留0.2kN/m的悬吊附加活荷载,且存在悬臂结构,尽管要求其7度抗震设防,但仍需进行必要的抗震计算分析.郑州国际会展中心总建筑面积183030m,分展览中心和会议中心两局部.展览中心由钢结构屋盖,预应力混凝土大跨楼板和分布两侧的钢筋混凝土框架组成.会议中心由伞状钢结构屋盖,钢筋混凝土结构及其上部用钢桁架托起的钢结构多功能大厅组成.郑州国际会展中心展览中心钢结构屋盖形状为152m×180m的矩形平面与152m×60m的矩形平面用50.的扇形平面相连接而成,其屋盖面积约为55000m.屋盖由桅杆,撑杆,缆索和主次桁架组成.桅杆位于标高28.000m的混凝土楼面上,沿结构平面纵向间距60m,横向间距102m;每根桅杆由前后各3根斜拉索与其所在的横向主桁架,两侧相邻的横向主桁架拉接.主桁架支撑于桅杆上跨度102m处,每侧向外挑25m,屋盖总宽152m,主桁架中部60m跨度内为张弦桁架结构(图1).钢结构屋盖下部混凝土结构由4个标准区和2个非标准区组合而成,各分区间设置300mm的抗震缝;钢结构屋盖那么构成一个整体结构,不设抗震缝(图2).2抗震计算2.1计算模型的选取首先对不含下部混凝土结构的标准区钢结构屋盖计算模型(图3),含下部混凝土的标准区钢结构屋盖计算模型(图4)进行了计算.通过分析计算结果发现,后者的地震作用效应根本上将前者的地震作用效应放大2倍左右,且钢结构屋盖桁架各局部第一作者:熊猛男1977年12月出生硕士研究生工程师Email:benbenxiong一2003@126,COrn收稿日期:2007—05—16SteelC0nstructi0n.2007(12),V01.22,No.10239工程设计图1标准区单独钢结构屋盖图2标准区整体钢结构屋盖的放大倍数存在一定的差异.为了更真实地反映结构的实际情况,计算模型需包含钢结构屋盖(图3)和其下部的混凝土结构,由于模型巨大,单元数量多,竖向荷载和点荷载较多,所要求计算的振型数大,计算机的计算容量和计算速度难以满足实际要求,通过屡次试算和分析,最终将计算模型进行了简化,将整体计算模型去除两个标准区,留下非标准区和其两边各一个标准区作为计算模型(图4).a一单独钢结构屋盖;b--整体钢结构屋盖图3钢结构屋盖本次计算中,利用SAP2000软件进行三维空间结构动力计算分析,钢构件采用杆单元,屋面荷载转化为线荷载传递到桁架上,拉索假设为只承受轴图4最终简化计算模型向拉力的杆单元,铸钢件假设为点荷载,假定所有桁架杆件为刚接,支撑与桁架连接为双向铰接.2.2时程曲线的选取按照?建筑抗震设计标准?(GB50011—2001)(以下简称"抗震标准")5.1.2条第三款的要求,将E1一centroNS地震波(简称E1一centro波)的时程曲线,兰州Lanzhou5—2地震波(简称兰州波)的时程曲线和人工波的时程曲线计算所得的结构底部剪力与振型分解反响谱法计算结果进行比拟(表1),从结果可以看出,E1一centro波,兰州波和人工波的时程曲线均满足"抗震标准"的有关要求.表1水平地震作用下结构底部剪力比值2.3抗震荷载组合本结构抗震设防烈度7度,按"抗震标准"可不考虑竖向地震作用;关于风荷载,按"抗震标准"荷载组合系数取0,因此荷载组合中不计入竖向地震作用和风荷载作用.荷载组合中,重力荷载及水平地震作用的分项系数分别取1.2和1.3,承载力抗震调整系数取0.8,考虑扭转作用,短边边榀桁架地震作用增大系数1.3,长边边榀桁架地震作用增大系数1.15.根据"抗震标准"5.1.1第2款,对各水平地震作用效应的方向分别选取0.,25.,50.进行计算,计入荷载组合.综合上述因素,多遇地震截面抗震验算反响谱a一0.12,加速度时程曲线的最大值取为55cm/s,采用72种荷载效应组合;罕遇地震抗震验算反响谱a一0.72,加速度时程曲线的最大值取为310cm/s.,采用72种荷载效应组合;设防烈度地震抗震验算反响谱a=0.35,加速度时程曲线的最大值取为155cm/s.,采用72种荷载效应组合.3计算结果3.1计算结果——应力比40钢结构2007年第12期第22卷总第102期熊猛,等:郑州国际会展中心展览中心铜结构屋盖抗震计算分析目前常见的抗震分析主要是定性分析,根据低阶振型的形状(一般不超过前3O个振型)对结构进行动力特性分析,找出对地震作用效应比拟敏感的杆件,然后分析整体结构的动力性能和地震作用力.而本次计算根据SAP2000的特点将杆件的平安性通过应力比来表达,其概念为杆件的计算应力与其材料屈服应力的比值小于或等于1即为平安,然后根据荷载标准和?钢结构设计标准?(GB50017—2003)(以下简称"钢规")对钢杆件和索的平安度作出评价,这样对杆件的平安性和结构抗震性能有比较明确的认识,适合结构设计人员对计算结果的理解和分析.此次计算结果中的应力比为SAP2000程序利用标准AISC—LRFD93中的应力比计算公式得出,通过分析比拟钢规和AISC—LRFD93中杆件应力计算公式中的各个系数和平安度,计算结果中受拉杆件应力比控制到1.11,受压杆件应力比控制到1.17,可以认为相对"钢规"有足够的平安度.在多遇地震下,钢结构屋盖拉索的应力比均小于0.30,桅杆和桅杆斜撑的应力比均小于0.40,桁架撑杆的应力比均小于0.75,一般杆件的应力比基本上都小于1.0.通过验算典型的横向及纵向桁架的跨中挠度变形值,可得到桁架的挠度与跨度的比值满足"钢规"的规定.罕遇地震下,钢结构屋盖计算模型中的大局部主要受力杆件在弹性范围内,假设不考虑屋面檩条和下弦十字支撑的作用,屋盖中应力比大于1.17的杆件有1507根,即约有1/5的钢结构屋盖杆件进入塑性状态.因无法了解罕遇地震下钢结构屋盖的平安程度,本次计算进行了设防烈度地震的计算,从计算结果和以上分析可看出,钢结构屋盖在设防烈度地震下有局部次要杆件进入塑性状态,但主要受力杆件均处于弹性状态.3.2振型数与振型参与质量"抗震标准"第5.2.2条条文说明要求,对于振型分解法,振型个数一般可以取振型参与质量到达总质量9O所需的振型数.本次抗震计算,采用振型分解反响谱法和振型分解时程分析法,多遇地震计算时共取结构根本振型2000个,x向振型参与质量到达总质量的85,y向振型参与质量到达总质量的85,振型数根本满足"抗震标准"要求;为简化计算和减少计算时间,罕遇地震和设防烈度地震计算时共取结构根本振型1000个,x向振型参与质量到达总质量的83,y向振型参与质量到达总质量的82%,振型数根本满足"抗震标准"要求.3.3楼层剪力系数"抗震标准"第5.2.5条,对水平地震作用标准值的楼层剪力作了要求,本次计算对楼层水平地震剪力系数进行了验算,见表2和表3,表中各剪力系数均满足标准要求.表2钢结构屋盖的下部混凝土结构楼层地震剪力系数表3钢结构屋盖楼层地震剪力系数3.4边榀桁架水平地震扭转作用的影响"抗震标准"第5.2.3条第1款规定,规那么结构不进行耦联计算时,平行于地震作用方向的两个边榀,其地震作用应乘以增大系数.本次抗震分析没有进行结构耦联计算,所以对平行地震作用方向的长边边榀桁架和短边边榀桁架,其地震作用乘以增大系数1.15和1.3O,计人荷载组合的放大系数之中.4结论与建议1)从计算结果可以看出,在多遇地震作用下,杆件应力比,挠度均在"抗震标准"允许的范围内,结构总体上是平安的.有两根杆件应力比稍大,是因其弱轴方向(桁架平面外方向)的抵抗矩较小,只要将其适当加大,就可以满足标准规定的平安度.2)在罕遇地震作用下,假设桅杆,拉索(包括张弦桁架下部拉索,斜拉索和稳定索),桅杆斜撑,桁架撑杆及桅杆上部斜拉索作用下的桁架范围内的杆件都处于弹性工作状态,钢结构屋盖毫无疑问能满足"大震不倒"的要求.从计算结果来看,虽然桅杆,拉索及大局部桁架杆件在罕遇地震作用下处于弹性工作SteelConstruction.2007(12),Vo1.22,No.10241工程设计状态,但仍有一局部桁架杆件应力比拟大,可能进入弹塑性状态.为此,对钢结构屋盖在设防烈度地震作用下进行了计算,从计算结果可以看出,桅杆,拉索,桅杆撑杆,桅杆斜撑均在弹性范围内,钢桁架有少局部杆件应力比少许超出标准规定.由此可以判断,罕遇地震作用下钢结构屋盖不致垮塌.3)不含下部混凝土结构的钢结构屋盖计算模型与包含下部混凝土结构的钢结构屋盖计算模型的动力计算结果相差较大,动力计算时需建立包含下部。