平湖市民文化中心设计研究

平湖市民文化中心设计研究

郭飞翔

浙江广厦建筑设计研究有限公司浙江杭州310000

摘要：平湖市民文化中心广场工程，建筑外形为不规则空间曲面，钢结构采用空间桁架结构体系，结构主要包括半球形拱桁架以及大悬挑扇形桁架，拱桁架最大跨度为70米左右，大悬挑扇形桁架最大悬挑为21米左右；本工程主要荷载为风荷载，通过风荷载参数数值风洞模拟得出。

关键词：大跨度拱桁架；大悬挑扇形桁架；不规则空间曲面结构；风洞模拟

一、工程概况：

本项目结构为嵌固于人防地下室工程结构顶板上的市民中心广场钢结构工程，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，抗震设防烈度为6度，地面粗糙度类别为B类。本项目钢结构工程主要由三部分组成，第一部分是由跨度为32m矢跨比1/7的钢拱，及跨度为70m矢跨比2/7的的钢拱，与平面桁架组成的半球形网架，钢结构支座主要位于混凝土柱上，采用部分刚接部分铰接的支座连接形式；第二部分是支撑于混凝土梁、柱上的悬挑桁架，主要为铰接连接形式；第三部分是由钢柱以及大悬挑的扇形网架组成的，钢柱均为刚接连接形式。

月牙平台为半月形结构，平台采用主次梁框架结构体系，因结构跨度较大，建筑对钢柱布置的限制，故钢柱采用树叉柱，柱脚均为刚接。

二、风洞模拟：

本工程风洞模拟由上海同济科技开发有限公司完成，工程主要由敞开的空间曲面结构构成，其空间曲面外形复杂，结构对风荷载表现较为敏感，因此有必要专门研究结构表面风荷载的分布情况。

本项目借助数值风洞技术来获得空间结构表面的风荷载分布，研究借助高性能计算工作站并结合数值风洞技术实现三维建筑全尺寸模型的生成，模型的建立充分考虑空间曲面复杂外形分布。通过对全流场区域的网格划分、求解空间流场的分布来获得结构不同区域处风向角下的风荷载参数分布，从而为结构的风荷载安全设计评估提供可靠的参数依据。

本工程流场的数值模拟是以Navier-Stokes方程（绕流风的连续性方程及动量守恒方程）为基本控制方程，采用离散化的数值模拟方法求解流场。在Navier-Stokes方程求解中，采用直接数值求解（DNS）可精确描述绕流流动，在本工程上采用湍流模型来计算。

本工程利用数值风洞技术，分别数值模拟了0o~360o范围不同风向角下平湖市民文化中心工程结构的三维空间流场分布，主要结论如下：

（1）数值模拟分别得到了各个风向角下平湖市民文化中心空间曲面的分块体型系数。

（2）通过对比几个特征空间曲面区域在不同风向角下竖向风荷载产生的体型系数，可认为整体结构较不利的风向角为0o和180o。其中0o风向角主要使整体结构受向上的风荷载作用，180o风向角主要使整体结构受向下的风荷载作用。

（3）通过统计对比平湖市民文化中心空间曲面任意位置处在不同风向角下的体型系数，可以得到每个曲面位置体型系数分布的极大值和极小值，再结合本项目的当地气候条件，按照规范选取对应的阵风系数即可获得空间曲面任意位置处的阵风风压分布。

（4）利用生成的平湖市民文化中心区域的空间脉动风场，结合结构的有限元模型进行了整体结构脉动风速作用下的风振响应分析。通过统计分析其风振位移最终得到风振系数的取值，建议取值为整体结构大顶棚分块的风振系数取为2.07，入口处小顶棚分块的风振系数取为2.19。

三、结构计算：

本工程整体计算分析采用Midas-Gen和SAP2000有限元计算软件进行，结构设计过程中，进行以下方面的计算：

（1）对结构进行静力分析，结构构件根据重要性不同，采取不同的应力比控制指标，以保证对结构安全性比较关键的构件有较大的安全储备。

（2）对常遇地震下结构的强度及稳定性进行验算分析，按照弹性设计控制，地震分析方法为反应谱法。

本工程设计荷载主要依据《建筑结构荷载规范》GB50009－2012和业主提供资料，其中基本风压按100年重现期（0.5kN/m2）采用，结构体形系数由提供的风洞试验报告与《建筑结构荷载规范》两者包络确定，偏保守考虑，风振系数取值2.1，风压高度变化系数取值1.25。同时考虑施工合拢温度为10-20℃，钢结构设计升温区25℃，降温25℃；根据《建筑抗震设计规范》平湖地区抗震设防烈度为6度，但是本工程较不规则，结构设计中考虑抗震验算和抗震构造措施。

本工程主要构件均采用了圆钢管，钢材采用Q345B钢。

本工程结构设计变形控制指标如下：

静力荷载组合工况下，屋顶立体桁架挠度≤L/250，屋面次梁挠度≤L/250，悬挑单层网架≤L/125

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003及《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的相关规定，本工程钢结构杆件长细比限值按下表取值：

本工程计算时特征值分析计算振型数为60阶，根据计算结果各项控制指标均符合上述控制要求。本工程在1.0D+1.0L作用下的最大变形出现在悬挑端处，且最大绝对变形为-200.31mm。相对变形为196mm。在1.0D+1.0L作用下竖向变形较大超过规范限值，考虑悬挑端预起拱，起拱值60mm，沿悬挑端渐变起拱。其余位置变形均在结构规范限值范围内。

由于本工程结构比较复杂，且存在单层网壳，为保证结构的整体稳定性，需对单层网壳进行线性屈曲分析，通过线性屈曲分析计算分析其屈曲模态以及易发生屈曲的位置，进而判断结构的稳定性。

屈曲分析时，结构的约束条件与反应谱分析时一致，考虑1.0恒载+1.1自重+1.0全跨屋面活荷载作为结构的初始荷载；进行屈曲分析时考虑结构的初始几何缺陷，根据结构第一阶屈曲模态分布结构的初始几何缺陷，初始几何缺陷按其跨度的1/300考虑。根据屈曲分析结果，确定对结构整体稳定性造成影响的最小阶屈曲因子和屈曲模态。

进行屈曲分析时，对于需进行整体稳定验算的部位施加荷载，考虑与其相连部分杆件在恒荷载及屋面活荷载下传递的荷载施加在结构上，同时考虑相连杆件对结构提供的刚度作用。

本工程节点在完成整体计算后，再对结构关键节点进行了专项设计。

四、总结：

综上所述，本工程钢结构的关键为风荷载的确定，确定了关键荷载后，需要明确各项控制指标，再对结构进行整体建模计算，同时网架需要进行屈曲分析，保证结构的整体稳定性，同时对关键节点需要另进行专项设计。

参考文献：

[1]空间网壳结构技术规程:JGJ7-2010北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]建筑抗震设计规范：GB50011-2010北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]钢结构设计规范：GB50011-2010北京：中国计划出版社，2003.

[4]建筑结构荷载规范：GB50009-2012北京：中国建筑工业出版社，2012.