芜湖艺术中心屋面钢结构分析与设计

2012-05-23

山西建筑 2012年22期

(浙江大学建筑设计研究院，浙江杭州 310027)

1 工程概况

芜湖艺术中心项目位于安徽省芜湖市世茂滨江花园多功能城市综合体的中心位置，造型新颖独特，犹如长江边上的贝壳(见图1)，建筑面积14 558 m2，主体结构为混凝土框架结构，地上4层，地下1层，建筑高度21．500 m。一层均为大面积超长混凝土结构。平面尺寸为91．4 m×120．6 m，由于平面形式复杂，柱网尺寸较多，平面布置见图2。

图1 芜湖艺术中心整体效果图

图2 芜湖艺术中心一层结构平面布置图

图3 屋面钢结构模型三维视图

芜湖艺术中心屋面钢结构采用单层钢框架结构，主要受力构件截面采用焊接工字钢。柱脚采用销节点，上部支座节点采用板式橡胶支座，屋面钢结构布置详见屋面模型三维视图，见图3。

2 屋面钢结构计算

2．1 计算参数及荷载的取值

本工程下部混凝土框架采用C30混凝土，主筋三级钢，箍筋一级钢。上部屋面钢结构的钢柱、钢架梁等构件采用钢材材质为Q345B，次梁、加劲肋、锚栓等构件(除图3中特殊说明外)采用钢材材质为Q235B。连接所采用高强螺栓性能等级为10．9级，安装用普通螺栓为C级螺栓，性能等级为4．8级。地脚锚栓采用普通螺栓(配双螺母)。

在整个屋面钢结构计算中共考虑了以下五种荷载工况［1］:

1)结构恒载:金属屋面自重 0．30 kN/m2，采光顶自重0．60 kN/m2，屋面吊挂荷载0．20 kN/m2(构件自重由程序自动计算)。2)结构活载:活荷载按不上人屋面取0．30 kN/m2;根据规范基本雪压为 0．60 kN/m2。3)风荷载:基本风压取 0．40 kN/m2。4)地震作用:拟建工程场地地震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0．05g，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第1组，建筑的抗震设防分类标准为丙类。5)温度作用:结构升温(+25℃);结构降温(－25℃)。

根据结构的承载力极限状态与正常使用极限状态，在计算过程中共考虑了22种荷载组合。

2．2 计算模型及边界约束条件

在CAD中建立结构的三维模型，导入MIDAS和SAP2000中进行计算(限于篇幅仅列出MIDAS中的结果)。杆件采用梁单元、屋面采用壳单元(用于导荷)，采用MIDAS有限元软件对计算模型计算分析，考虑各种荷载工况下的荷载效应，然后按荷载效应组合进行内力计算。计算模型如图3所示。

计算模型中梁柱节点、次梁与钢架相接节点(除次梁连接为铰接外)均为刚接节点。模型的支座约束情况如下:大平台处柱脚采用销接节点，钢柱柱脚采用刚接节点，其余支座均采用橡胶支座，以达到既能控制支座滑移量，又能保证支座的水平力在下部混凝土柱的可承受范围内［2］。

表1 控制点的位移和挠度

设计时，根据程序计算得到的支座竖向反力查询满足要求(同时满足竖向承载力和橡胶支座底板截面小于框架柱截面的要求)的板式橡胶支座;将初选的支座刚度代入计算模型中，计算支座的水平推力并和下部混凝土柱的极限承载力进行比较，如果水平推力大于柱的极限承载力，则重选支座，直到满足柱的承载力有一定的富余［3］。

3 计算结果及分析

3．1 静力结果

根据荷载规范的规定，对结构进行承载力极限状态设计和正常使用极限状态设计，计算结果表明:结构的承载力设计均满足规范设计要求，最大应力比为0．70左右。

从表1计算结果可以看出控制点1～3在各正常使用工况下最大挠度值不超过《钢结构设计规范》［4］中(［vT］=1/250，［vQ］=1/300)的要求。控制点4在各正常使用工况下最大挠度值不超过《钢结构设计规范》中(［vT］=1/400，［vQ］=1/500)的要求。计算结果可以看出控制点在风荷载或地震作用等水平荷载下的最大位移值不超过《钢结构设计规范》中(层高的1/500)的要求。且橡胶支座的水平位移量控制在30 mm以内即可。

图4 屋面钢结构的振型

图5 钢架柱脚的销节点

3．2 动力特性

在进行结构的整体动力特性分析时，取结构的前30个模态来计算分析，满足规范规定的质量参与系数要求。关于周期的求解，程序按结构力学刚度法为满足振幅方程(［K］－ω2［M］){Z}=0有非零解，求解特征方程︱［K］－ω2［M］︱=0，再根据频率与周期的倒数关系得到相应的周期。由于篇幅所限，本文仅列其前6阶自振周期，计算结果如表2所示，部分结构的整体振型如图4所示。