浙江科技学院学生活动中心大跨度复杂折面形屋盖结构设计*

? 浙江科技学院学生活动中心大跨度复杂折面形屋盖结构设计* 浙江科技学院学生活动中心大跨度复杂折面形屋盖结构设计*郑晓清1 董石麟2 苗 峰2 张 杰1 丁 超2(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司， 杭州 310028； 2.浙江大学空间结构研究中心， 杭州 310027)摘 要：浙江科技学院学生活动中心建筑造型复杂，其屋盖和幕墙共同组成的外围护体系为复杂的空间折面结构，采用了双层网架和局部单层网壳组成的空间网格结构体系。对该结构的结构构型及其支承条件进行介绍，并对结构的静力特性、动力特性和稳定性能进行了详细分析计算。分析结果表明，该结构体系是一种能充分体现结构的力学形态和优势、合理的经济指标，且满足建筑的空间视觉效果和美观要求的结构形式。关键词：空间折面结构； 双层网架； 单层网壳； 空间网格1 工程概况浙江科技学院学生活动中心总建筑面积约6 300 m2，建筑高度23.7 m，建筑造型较为复杂(图1)，宛如水面上纯洁的冰山，也具有荷花层叠绽放的形态特征。图1 学生活动中心效果屋盖和幕墙共同组成了学生活动中心屋盖结构的外部围护系统。屋盖结构部分是本工程设计的重点和难点。屋盖结构部分由36个空间倾斜的三角形平面组成(最大三角形面跨度约40 m)，具有强烈的解构主义风格，造型凹凸突出，其最大凸起约为23 m。2 结构构型和体系结构设计时，建筑师要求结构形体应能完全反映建筑的形态特征，即结构组成与建筑空间面的组成相吻合。由于空间的限制，为了不影响建筑内部走道、走廊和卫生间等部位的建筑使用功能，对结构选型提出了要求。为满足建筑效果和建筑功能的要求，本工程采用了双层网架和局部单层网壳组成的空间结构体系，该结构与内部结构相对脱离，独立支承整个建筑的屋盖和幕墙结构。浙江科技学院学生活动中心屋盖结构如图2所示。图2 屋盖结构三维示意2.1 结构构型学生活动中心由36个空间倾斜的三角形平面组成，与建筑形态的组成面一一对应，结构面与建筑表面的距离为400 mm。相邻两个平面间夹角最小62°、最大为167°，面与面相交形成多条空间棱线。为满足建筑内部走道、走廊和卫生间的空间要求，屋盖周边的局部倾斜三角形平面采用单层网壳结构。舞台和观众厅上部网架由于单片折面面积较大且主要承受竖向荷载，设计中采用了厚度2.0 m的双层网架，并对网架的腹杆和下弦杆件进行了局部抽空。其余折面均采用厚度1.5 m的双层网架，结构模型见图2。为便于施工，屋盖结构的空间网格尺寸经过试算最终确定为3～4 m。2.2 支座条件屋盖结构周边布置了24个落地点，将其支承于周边混凝土基座梁上。为减小屋盖结构对周边混凝土基座梁的水平推力，支座采用弹性橡胶支座，抗侧刚度为2.15×105 kN/mm。在不影响建筑使用的条件下，结合下部混凝土结构的布置情况，在钢屋盖结构屋盖内部共设置了8个上部支点，将结构支承于内部主体的混凝土结构柱上。结构支座布置如图3所示。图3 屋盖结构支座布置3 材料特性设计中杆件使用圆钢管，钢管的物理性能、力学性能等参数见表1、表2。表1 钢材的物理性能指标弹性模量E/MPa剪切模量G/MPa线膨胀系数α/℃-1质量密度ρ/(kg·m-3)206×10379×10312×10-67850表2 Q235钢材的强度设计值厚度或直径/mm抗拉、抗压、抗弯强度f/MPa抗剪强度fv/MPa端面承压强度fcn/MPa≤16>16～402152051251203253254 荷载取值本工程的外围护体系采用轻质的铝镁锰屋面板，局部采用玻璃幕墙。设计中恒荷载取为1.0 kN/m2，屋面活荷载为0.5 kN/m2[1]。分析计算时，为考虑节点自重的影响，将杆件自重放大1.3倍。基本风压取为0.45 kN/m2，输入风荷载时按8个方向角输入,如图4所示。风荷载标准值基于风洞试验结果输入。图4 风荷载风向角示意根据杭州地区的气象条件，本工程考虑结构整体温差±30 ℃。5 分析结果本文对结构在几种基本荷载工况下的静力、动力及稳定性能进行了分析，以考察结构的整体受力性能。结构设计采用满应力设计[2]，杆件应力比控制在0.8。为保证分析结果的可靠性和精确性，采用两种软件(MST、MIDAS/Gen)对活动中心屋盖结构在各荷载工况下的受力特性进行了分析。计算模型中，双层网架部分的杆件采用空间杆单元模拟，单层网壳部分的杆件采用梁单元模拟，并忽略屋面和幕墙中檩条及屋面板的结构作用，仅按荷载考虑[3-4]。分析结果表明，两种软件所得的计算结果基本一致，以下仅列出MIDAS/Gen软件的部分分析结果。5.1 静力荷载分析本文对结构在恒、活荷载作用下的结构变形与杆件内力进行了分析。由于整个屋盖结构体系的体型复杂，结构变形呈无明显规律的空间形态，所以很难采取施工预起拱的方式来消除静荷载作用下的变形。而恒荷载在整个屋盖结构的荷载中占主要部分，因此恒荷载下结构的竖向变形控制是本结构的控制因素之一。图5分别给出了屋盖结构在恒、活荷载单工况作用下的竖向位移云图。从图5可以看出，恒荷载作用下结构的最大竖向位移为53.35 mm。相对恒荷载来说屋面活荷载较小，在活荷载作用下，结构的竖向位移分布与恒荷载作用下类似，但最大值只有 20.57 mm。a—恒荷载,wzmax=53.35 mm;b—活荷载，wzmax=20.57 mm。图5 恒、活荷载单工况下结构的竖向位移云图 mm图6分别给出了屋盖结构在“1.0恒荷载+1.0活荷载”工况作用下的竖向位移云图和总位移云图。从图6可以看出，在正常使用极限状态下，结构最大竖向位移为73.92 mm，恒荷载引起的竖向位移占总竖向位移的72.2%。a—竖向位移,wzmax=73.92 mm;b—总位移,wmax=98.35 mm。图6 1.0恒荷载+1.0活荷载工况下结构的位移云图 mma—双层网架,σmax=143.73 MPa;b—单层网壳,σmax=140.06 MPa。图7 1.2恒荷载+1.4活荷载工况下结构杆件的应力云图 MPa图7给出了屋盖结构在“1.2恒荷载+1.4活荷载”作用下，结构杆件的应力云图。从图7可以看出，双层网架部分的杆单元最大应力为143.73 MPa，单层网壳部分的梁单元最大应力为140.06 MPa，即在此工况下所有杆件的应力比均控制在0.7以下，以保证结构具有一定的安全储备。5.2 风荷载效应分析风荷载按50年重现期考虑，基本风压为0.45 kN/m2。根据风洞试验结果，简化为8个不同的风向角，对结构的风荷载效应进行了分析。各风向角风荷载作用下，结构位移云图如图8所示。从图8可以看出，各风向荷载作用下，结构各节点的位移较小。由于结构体型复杂，导致风载体型系数的变异性较大，因此虽然结构的整体侧移量小，但局部面上的节点最大位移达到了38.88 mm。因此风荷载效应对于这种复杂折面结构的作用是不能忽视的。a—0°,wmax=38.88 mm;b—45°,wmax=31.69 mm;c—90°,wmax=36.52 mm;d—135°,wmax=30.17 mm;e—180°,wmax=31.27 mm; f—225°,wmax=31.47 mm;g—270°,wmax=20.38 mm;h—315°,wmax=34.96 mm。图8 各风向角风荷载作用下结构的位移云图 mm5.3 温度效应分析本项目钢结构屋盖的跨度较大，且多折面空间复杂结构形体是由若干个连续的空间倾斜三角形平面组成，平面内刚度大，因此该结构的温度效应较为显著。为减小支座对结构的侧向约束作用，调节结构的整体刚度，结构周边支座采用弹性橡胶支座。图9给出了屋盖结构在温差±30 ℃两种荷载工况下的应力云图。从图9可以看出，结构在温度降温或升温30 ℃的作用下，杆件最大应力为46.81 MPa。a—+30 ℃,双层网架,σmax=46.81 MPa;b—+30 ℃,单层网壳,σmax=21.78 MPa; c—-30 ℃,双层网架,σmax=46.81 MPa;d—-30 ℃,单层网壳,σmax=21.78 MPa。图9 结构在±30 ℃两种温度荷载工况下的杆件应力云图 MPa5.4 动力特性分析结构前20阶振型的自振周期列于表3，结构的前4阶振型见图10。由图10可见：活动中心屋盖结构的前4阶振型均体现为单层网壳部分的局部振动。由此可以看出，屋盖结构双层网架部分具有较好的刚度，而单层网壳是该结构的薄弱部分。5.5 稳定性能分析单层网壳和厚度较小的双层网壳的整体稳定性能，在设计中可能起控制作用，因而对这些网壳应进行稳定性计算[5-6]。为分析结构的整体稳定性，对结构进行了线性屈曲分析，采用解特征值的方法求解结构在“1.0恒荷载+1.0活荷载”作用下结构的屈曲模态及屈曲因子。分析结果表明，结构的前15阶特征屈曲模态均体现为单层网壳部分的局部屈曲失稳。图11给出了屋盖结构的第1阶屈曲模态，其屈曲因子为14.88。表3 结构前20阶自振周期模态号周期/s模态号周期/s模态号周期/s10.525480.1902150.152420.383890.1868160.150130.3501100.1742170.146440.2841110.1676180.143550.2616120.1629190.138660.2548130.1612200.135970.2176140.1575a—第1阶振型;b—第2阶振型;c—第3阶振型;d—第4阶振型。图10 屋盖结构前4阶振型图11 结构的第1阶特征屈曲模态在对学生活动中心钢结构屋盖进行非线性稳定分析时，采用特征值屈曲分析中所采用的“1.0恒荷载+1.0 活荷载”作为标准荷载。非线性屈曲分析中，结构的初始几何缺陷形式选择是一个重要而复杂的问题。JGJ 61—2003《网壳结构技术规程》指出，当初始缺陷以结构的最低阶屈曲模态分布时，求得的结构稳定承载力是可能的最不利值，因此以第1阶屈曲模态作为初始缺陷的分布形式。初始缺陷的幅值是另一个需要确定的参数，JGJ 61—2003建议取网壳水平投影跨度的1/300，对结构采用一致缺陷法进行非线性屈曲承载力计算，所得分析结果见图12。从荷载-位移曲线可以看出,结构的非线性稳定承载能力为14.32倍标准荷载，这说明该体系的整体稳定问题不起控制作用。另外，分析结果表明，改变初始缺陷最大值和初始缺陷模态得出的结果变化不大，说明该屋盖结构对初始缺陷并不敏感。图12 结构的荷载系数-位移曲线(1/300)6 结 论1)双层网架和局部单层网壳组合而成的空间网格结构对复杂空间折面结构具有很强的适用性，结构具有很强的建筑表现力。2)该结构体系在杆件布置和结构受力性能方面均类似于双层网壳结构，在单层网壳部分杆件承受弯曲、剪切和扭转的共同作用，因此单层网壳部分是该结构的薄弱部分。3)该结构整体受力性能较好，具有较好的面内和面外刚度，设计荷载作用下杆件内力和结构位移均满足JGJ 7—2020和JGJ 61—2003的设计要求。4)由于该复杂折面结构体型复杂，风荷载和温度作用影响较大，在设计施工过程中应予以考虑。5)该结构体系的整体稳定性能较好，低阶屈曲模态均表现为单层网壳部分的失稳。通过非线性稳定分析可以看出，该结构对初始缺陷不敏感。6)本项目采用的双层网架和局部单层网壳组成的空间网格结构是一种能充分体现结构的力学优势、具有较优的经济指标并满足建筑的空间视觉效果和美观要求的结构形式。参考文献：[1] GB 50009—2020 建筑结构荷载规范[S].[2] JGJ 7—2020 空间网格结构技术规程[S].[3] 董石麟，罗尧治，赵阳. 新型空间结构分析、设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2020.[4] 黄泰赟，蔡健. 广州歌剧院空间异形大跨度钢结构设计[J]. 建筑结构学报，2020(3):89-96.[5] 田伟，赵阳，董石麟. 考虑杆件失稳的网壳结构稳定分析方法[J].工程力学，2020，29(10)：149-156.[6] 董石麟,郑晓清. 节点刚铰接时环向折线形单层球面网壳静力和稳定性能的分析研究[J].空间结构，2020,15(6):1-11.DESIGN OF LONG-SPAN SPATIAL FOLDED PLANE STEEL STRUCTURE OF THE ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY STUDENT CENTERZheng Xiaoqing1 Dong Shilin2 Miao Feng2 Zhang Jie1 Ding Chao2(1.Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co.Ltd, Hangzhou 310028, China;2.Space Structures Research Center， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China)ABSTRACT：The steel roof of Zhejiang University of Science & Technology Student Center is a space grid structure system with a complex architectural facade. The roof system is constituted by double layer space truss and partial single-layer reticulated shell. The long-span space frame with curtain-walls envelops the center’s internal concrete buildings. Structural system, geometry configuration and supporting conditions of the center were introduced. The static characteristics, dynamic performance and structural stability were detailedly analyzed. The results showed that the structure system had good mechanical properties and nice economic effectiveness. Besides, this structure system could meet the requirements of spatial visual effect and architectural beauty.KEY WORDS：spatial folded plane steel structure; double layer space truss; single-layer latticed shell; space grid structure*杭州市十大产业企业技术创新团队项目；浙江大学建筑设计研究院有限公司院士专家工作站科研项目。第一作者：郑晓清，男，1982年出生，博士，高级工程师，国家一级注册结构工程师。Email: zheng_xiaoqing@126.com收稿日期：2020-05-30DOI：10.13206/j.gjg202010010