马拉维国际会议中心重型钢屋盖结构分析

马拉维国际会议中心重型钢屋盖结构分析

刘晟

（湖南方圆建筑工程设计有限公司，长沙 430000）

［摘要］马拉维国际会议中心地处非洲，为减小暴雨对会议效果的影响，采用了以钢—混凝土组合板作为屋面的大跨度重型钢屋盖。采用Midas GEN对屋盖结构整体进行了有限元分析，并针对受力较大的钢结构支座进行了基于多尺度模型的细部分析，结果表明屋盖结构的变形和应力、钢结构支座节点的应力均可满足设计要求。对支座节点采用实体有限单元、其它部分采用杆系单元的多尺度计算模型既可以满足节点细部精细化分析的需求，又可以大大减少计算量，是一种较为高效的方式。

［关键词］马拉维国际会议中心；重型钢屋盖；大跨度钢结构；多尺度模型；Midas GEN

1 工程概况

马拉维国际会议中心位于马拉维的首都利隆圭，包括会议中心、宴会厅和五星级酒店。其中会议中心可以容纳1500人，配备有先进的技术设备和舒适的设施，可以满足各种大型国际会议和地区性会议的需求。会议中心内部的设计充满现代感，其功能齐全，不仅可以举办各种会议和展览，还可以用于举办各种文化活动和演出。会议中心效果图如图1所示，主要剖面图如图2所示。

图1 马拉维国际会议中心效果图

图2 会议中心剖面图

2 结构设计

2.1 结构主要设计参数

马拉维由于其技术落后，没有自己的结构设计规范，因此本项目主要按照中国规范进行设计。我国现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010) (2016年版)［1］中，仅收录有我国各城市的地震动参数，而本项目地处非洲马拉维首都利隆圭，其地震设计参数只能按类比的方法确定。根据美国UBC97［2］规范，马拉维利隆圭的分区与我国青岛相同，因此设计中将其抗震设防烈度定为7度，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度0.10g。场地类别为Ⅱ类，特征周期0.35秒。

2.2 钢屋盖结构选型

会议中心主要为召开大型国际会议设计，其隔声要求很高，而非洲地区暴雨强度大，容易对钢屋盖造成较大的噪声。因此，会议大厅顶部的钢结构屋盖没有采用惯用的轻型屋盖，而是设计了120mm厚的钢—混凝土组合板，成为所谓的“重型钢屋盖”。钢屋盖的结构平面如图3所示。共设置5榀主桁架，编号ZHJ-1~ZHJ-5，其中ZHJ-1跨度较小，为平面桁架，ZHJ2~ZHJ-5跨度较大，为倒三角型立体桁架。为了保证结构的整体稳定，在主桁架平面外设置了三榀次桁架，其中靠近支座的两道次桁架为立体桁架，跨中次桁架为平面桁架。结构最大跨度（ZHJ-4）为41.2m，桁架最大结构高度为3.1m。屋盖以5轴为屋脊，向两侧结构找坡，坡度为3%。以ZHJ-5为例，其立面图及断面图如4所示。倒三角桁架的宽度为2.6m，最大高度为3.1m，上弦截面为,299×14，下弦截面为,465×16，腹杆截面为,121×5~,273×14不等。

图3 钢屋盖结构平面布置图

（a）立面图

（b）断面图

图4 ZHJ-5结构详图

由于屋盖双向找坡形成微拱，加上屋面荷载较大，若钢桁架两端支座与下部钢筋混凝土铰接，其推力巨大。为了减少钢屋盖对下部结构的影响，设计采用了一端铰接、一端滑动的支座形式。本项目为2008年设计，当时钢结构成品支座在建筑工程中的应用尚不多见。为了实现钢支座底板与混凝土之间的滑动，设计采用在支座底板与钢筋混凝土中预埋件之间增加聚四氟乙烯板与不锈钢板的方式，四氟乙烯板与钢材之间的摩擦系数为0.04，可以较好的实现滑动的设计意图。

3 钢屋盖整体分析

3.1 有限元模型

由于主桁架采用一端简支、一端滑动的构造，其边界条件简单，下部混凝土结构的刚度对上部钢结构的计算几乎不造成影响，因此钢结构可以单独建模分析。采用MIDAS GEN建立了钢结构屋盖有限元模型，如图5所示。桁架弦杆和腹杆均采用梁单元进行模拟，支座节点分别采用铰接（约束X、Y、Z三个方向的平动）和滑动（约束Y、Z两个方向的平动）。

图5 MIDAS GEN钢屋盖有限元模型

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)，双坡封闭式屋面的体型系数主要表现为风吸，而本项目钢屋盖为钢—混凝土组合板，风荷载不起控制作用。另一方面，马拉维地处非洲，终年无雪，雪荷载也不需考虑。计算模型主要考虑恒载和活荷载两种类型荷载。除钢结构自重外，附加恒载为4.8kN/m2，活荷载为0.5kN/m2。

3.2 主要计算结果

在荷载标准组合（1.0D+1.0L）作用下，结构的竖向挠度如图6所示，最大挠度发生在ZHJ-3的跨中，为86mm，约为跨度的1/464，满足屋盖主桁架挠度不超过跨度的1/400的要求。构件的应力比云图如图7所示，最大应力比为0.866，可满足设计要求。在荷载基本组合（1.2D+1.4L）作用下，结构的支座反力如图8所示，从图中可以看出，由于屋盖采用钢—混凝土组合板，荷载较大，整个结构的支座反力均较一般的轻型屋盖大幅增加，最大竖向反力为1506kN，发生在ZHJ-5。

图6 标准组合结构的挠度（mm）

图7 应力比云图

图8 支座反力图（kN）

4 基于多尺度模型的支座细部分析

结构整体分析表明，在荷载基本组合作用下，钢结构支座的最大反力达到1506kN，且支座采用下弦+加劲板支承的形式，其受力较为复杂，对支座节点进行细部分析是十分必要的。为了准确地考虑支座节点的荷载和边界条件，将支座节点与结构整体建模，采用多尺度模型进行计算分析是一种较为准确的方式。由于各榀桁架的支座形式基本相同，因此仅需将支座反力较大的ZHJ5支座作为研究对象。多尺度有限模型中，对于支座细部采用实体有限单元进行精细化建模，其它部位采用杆系单元，这样既达到了对支座进行精细化分析的目的，同时相较于全实体单元模型而言，也大大减少了计算量。实际建模时，关键节点杆件外伸的尺寸根据圣维南原理确定，可按外扩不小于2~3倍管径取值。圣维南原理（Saint Venant’s Principle）是弹性力学的基础性原理，由法国力学家圣维南于1855年提出。该原理指出，分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。

多尺度模型的建模采用以下步骤：

（1）在MIDAS GEN中，将ZHJ5的支座相关范围的杆件导出为实体；

（2）将实体导入MIDAS FEA NX中，通过几何体的布尔运算进行处理并划分实体有限单元，并导出为MIDAS GEN的MGT格式文件；

（3）在Midas GEN中将节点实体有限元模型与杆系模型合并为多尺度模型，多尺度模型的局部及节点细部分别如图9和图10所示。在实体单元与杆系单元多尺度界面处，将实体单元节点与杆系单元节点通过刚性连接相连。

图9 Midas GEN中的多尺度有限元模型

图10 多尺度模型节点细部

多尺度模型计算得出的钢结构支座等效应力云图如图11所示，应力最大值发生在加劲板与下弦杆交接处，有效应力最大值为219.6MPa，未超过钢材的强度设计值，可满足要求。

图11 支座节点有效应力云图（MPa）

5 结语

本章对马拉维国际会议中心重型钢桁架结构进行整体分析及基于多尺度模型的支座细部分析，主要结论如下：

（1）本项目重型钢屋盖双向结构找坡3%，形成微拱，采用一端铰接一端滑动的支座形式可有效地减少对下部混凝土结构的影响。通过Midas GEN对结构整体建模分析表明，结构的变形及应力均可满足要求。

（2）本项目钢结构支座反力巨大，其细部受力分析是设计关注的重点。对支座节点采用实体有限单元、其它部分采用杆系单元的多尺度计算模型既可以满足节点细部精细化分析的需求，又可以大大减少计算量，是一种较为高效的方式。分析表明，本项目钢结构支座节点的受力可满足要求。

参 考 文 献

[1]建筑抗震设计规范: GB 50011-2010［S］．2016年版．北京: 中国建筑工业出版社，2016．

[2]UBC-97 Uniform Building Code［S］． International Conference of Building Official，1997．

[3]建筑结构荷载规范: GB 50009-2012 ［S］．北京: 中国建筑工业出版社，2012．

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