复杂结构的计算.ppt
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1、,十一、复杂结构的计算,广东省建筑设计研究院计算中心除坚持结构设计软件开发外,专业承接大型、复杂结构工程的分析计算和设计咨询业务,致力解决建筑结构领域的关键技术难题,已完成大型复杂和超限工程计算近百项,今天介绍部分工程与大家交流。联系电话:网 址:,1、抗震性能设计5个表:,不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求,变形控制按抗规,整体模型(包括两层地下室),2、广东省人大代表之家结构超限分析,夹层(建筑首层与二层之间)(首层嵌固端侧刚不满足),建筑二层转换梁(竖向构件不连续)0.5条,左大开洞(建筑四层),大开洞(楼板不连续),大开洞(楼板不连续),大开洞(楼板不连续),跨层柱(楼板不连续)
2、,右大开洞(建筑五层),竖向收进(尺寸突变),错层(建筑六层),错层,屋顶开大洞(建筑八层),竖向收进(尺寸突变),上部标准层图(建筑九十一层),顶部标准层长宽比3.1,超限情况,本工程高度未超过规定限值,结构类型符合现行规范的适用范围,不属于结构布置复杂的钢筋混凝土高层建筑,但存在凹凸不规则、楼板不连续、尺寸突变、扭转不规则及竖向构件不连续等4项不规则,属于超限高层建筑。,抗震性能目标C:在多遇地震(小震)下满足抗震性能水准1的要求,在设防地震(中震)下满足抗震性能水准3的要求,在罕遇地震(大震)下满足抗震性能水准4的要求;结构构件承载力设计要求:,结构抗震性能目标,小震反应谱和风,1、针对
3、大震下底部剪力墙局部屈服及小震下框架地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩50%但不大于80%的情况,首先,通过提高约束边缘构件的配箍率、竖向分布筋配筋率等措施提高第一道防线的承载能力,其次,框架部分的抗震等级和轴压比限值按框架结构的规定要求,以提高第二道防线的承载能力。2、模型结构层4层(夹层)底部作为结构底部嵌固端,由于夹层部分楼板镂空,本层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的比值为小于1.5。按照高规第条要求,对模型结构层4层(夹层)对应的地震作用标准值的剪力乘以1.25的增大系数。,(完),针对于结构存在夹层的情况,对其进行了全楼弹性板模型的计算,并对夹层的墙柱进行验算,结果表明两种模型整体结果相近,
4、墙柱配筋均能满足要求。,刚性楼板与弹性楼板验算夹层,(完),局部转换梁柱,转换梁跨度大于12m,根据高规第条规定,采用振型分解反应谱方法计算竖向地震作用效应。结果表明在竖向地震作用下,转换柱轴压比及梁柱配筋均满足要求。,不考虑竖向地震,考虑竖向地震,考虑竖向地震验算转换梁柱,弹性时程分析,楼层剪力曲线,反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。在Y向有两条地震波作用下存在有顶部4层的楼层剪力比振型分解法稍大的情况。,(夹层)4层楼板90度地震Y向正应力,剪力墙筒与板交接、楼板拐角处出现应力较大(去除节点应力集中,其余基本小于1.4MPa),凹凸不规则,细腰平面及楼板不连续等不规则情况,为确保楼
5、板能可靠地传递水平力,采用GSSAP进行了小震作用下的弹性楼板应力分析。,楼板应力分析,(细腰、右大开洞)11层楼板0度地震X向正应力,1、关键构件没有出现超筋的情况,正载面承载力验算满足中震不屈服的要求;2、关键构件的斜截面承载力验算满足中震弹性的要求;,中震验算,中震验算时层间位移角控制:1/400,静力弹塑性分析(Pushover),大震验算时层间位移角控制:1/200,0度方向整体模型性能点处的塑性铰图,红色墙体属拉弯损坏,3、粤电信息交流管理中心结构超限分析,本工程为超高层办公建筑,地面以上32层,其中1至4层为裙房部分,5至32层为塔楼部分,地面以下5层。,标准层平面图,GSSAP
6、结构模型,(1)框架核心筒结构高度为153.5m,属超A级高层建筑;(2)在4层及32层有局部竖向构件转换,属于竖向抗侧力构件I类(墙)不连续;(3)2层及3层开洞后,有效楼板宽度小于开洞处楼面宽度的50,楼板局部不连续;(4)塔楼与裙房形心位置偏置较大,引起较大的扭转反应;(5)核心筒剪力墙平面形状近似菱形,抗倾覆不利。,二层平面图,三层平面图,跨层柱与楼板不连续,超限情况,1.二、三层由于建筑的使用要求楼面大开洞,形成局部15米跨层柱及11米跨层墙,计算中增加二层按夹层荷载输入、层高按11米的整高模型进行分析验算,设计中加大了跨层柱截面,并且柱及墙加内置型钢。2.核心筒剪力墙中的端部转角墙
7、,按异形柱控制轴压比小于0.5,全高加密箍并且内置型钢。另外在转角处作了水平加腋的加大截面的处理。,超限处理主要措施,中震弹性计算简要结果,关键构件无超筋,中震验算,2层楼板:0度地震楼板面内最大主应力:,最大主应力(红色为主色)均小于1.57MPa(C35混凝土抗拉强度设计值)。,中震楼板应力分析,罕遇地震下基底受拉情况,主楼框架角柱柱底反力时程,所取主楼框架角柱位置,1)由于结构的高宽比不大,结构在地震作用下产生的倾覆力矩不是很大,在三向地震作用下框架柱柱脚均未出现拉力,柱脚基本不需进行抗拉设计。2)核心筒剪力墙分为10组,最大拉力为17549KN,设计时与下面5层地下室重量叠加后复核基础
8、的抗拔设计。,核心筒剪力墙反力点编组,核心筒剪力墙底部反力(KN,拉为负),1层楼板损伤情况,受拉损伤,受压损伤,受拉损伤,受压损伤,3层楼板损伤情况,塔楼与裙房相连楼板轻微拉裂,基本无混凝土受压损伤,与剪力墙相连楼板轻微拉裂,基本无混凝土受压损伤,楼板损伤,12.6秒,剪力墙受压损伤,30.0秒,受压损伤主要集中在13层以下的两片主受力墙,损伤面积占整片墙体截面面积的20%以下,满足“允许部分屈服,但不得发生剪切破坏”的性能指标。,转换构件与跨层柱,30秒MISES应力图,30秒时刻塑性应变图,30秒时5层转换构件及跨层柱的钢材MISES应力和塑性应变图,最大MISES应力为173MPa,均
9、处于弹性状态。,亚运会历史展览馆亚运会自行车馆亚运会篮球馆罕遇地震分析建议,4、亚运会体育场馆弹塑性分析,侧立面图,前立面图,亚运会历史博物馆比赛期间的使用面积为3677,平面尺寸为56x35m,屋面高度25.8m。由观众平台下的展厅,螺旋坡道展厅以及两场馆的屋顶结晶连接体三部分组成。碗体结构悬挑33m,通过下部碗底托梁支承在核心筒,核心筒平面尺寸为8mx6.6m。,历史展览馆结构布置,4.1 亚运会历史展览馆,分析讨论:钢板剪力墙的耗能、长悬挑结构根部加强,结构整体计算结果汇总,20秒时刻钢材塑性应变云图,碗底支撑最大组合应力云图,小震下碗底支撑最大组合应力173MPa(设计强度295MPa
10、的60%)大震下动力弹塑性分析,结构碗底两边托梁进入塑性。,(1)碗底托梁大震下进入屈服,(2)核心筒刚度退化严重。,5秒时刻,10秒时刻,15秒时刻,30秒时刻,剪力墙受压损伤时刻云图,结构薄弱部位,楼板受压损伤,楼板损伤主要是集中在边缘连接处,其他部位损伤较小。,20秒时刻楼板受压损伤,优化措施:(1)墙体植入厚度为25mm钢板,增加剪力墙抗弯和抗剪承载力。(2)在碗底处增加连肢墙体,起耗能作用。(3)加大碗底托梁在核心筒连接处截面,箱型截面尺寸 4008002020改为 4008003030,减小截面应力。,有效地减小了剪力墙混凝土受拉损伤的范围和程度。,模型1-原方案,模型2-植入钢板
11、,模型3-增加墙,核心筒混凝土受拉损伤对比,优化效果:,核心筒剪力墙在人工波作用下受拉损伤动画,(1)总建筑面积:25360m2。共三层,建筑高度39.86m(屋面檐口高度17.96m),首层层高6.0m,二层层高6.06m,三层层高5.6m。(2)楼层采用钢筋混凝土现浇框架结构,屋盖采 用局部双层的单层钢网壳结构。,4.2 亚运会自行车馆,整体三维模型,分析讨论:罕遇地震下带阻尼器结构分析,结构整体计算结果汇总,有阻尼下柱1,6,14,22轴力图,无阻尼下柱1,6,14,22轴力图,柱1(-3092.9KN)柱6(-2717.9KN)柱14(-2930.8KN)柱22(-3099.4KN),
12、柱1(-3630.9KN)柱6(-3201.1KN)柱14(-2825.4KN)柱22(-3035.1KN),结构下部采用混凝土,上部为钢结构。屋盖结构体系由径向空腹刚架与环向联系杆件组成球面网壳,直径120m。径向空腹刚架与横向联系构件组成壳体,支承于环向大桁架上(环向大桁架弦杆管内施加应力)。,屋盖结构布置,结构整体模型,4.3 亚运会篮球馆,分析讨论:减少屋盖重量减小地震力、屋盖刚度分布均匀可减少塑性应变,(1)网壳结构构件受力不均匀。屋盖构件普遍应力比较小,网壳中发生塑性应变的构件主要是屋面支撑以及径向下弦梁。(2)自重及地震力偏大。屋面支撑布置不合理。,大震计算时发现:,优化措施:(
13、1)修改屋面结构布置,使结构受力均匀。(2)通过优化截面尺寸,减少屋盖重量。(3)在外围环向弦杆施加预应力,减小屋盖竖直方向位移。,15秒时刻网壳钢材塑性应变,注:(P)表示钢管截面,B为直径,H为壁厚;其他为箱形截面,B为高度,H为宽度,T1为左右腹板厚度,T2为上下腹板厚度。,主要截面尺寸优化前后对比,屋面杆件布置示意图,初始预应力加载图(单位:KN/m2),优化前后钢构件弹塑性发展状况对比,a)优化前,b)优化后,优化前后屋面刚性支撑10秒时刻塑性应变图:,4.4 罕遇地震分析建议,模型常见问题(影响迭代收敛和准确性):模拟施工计算、节点偏心、铰接模拟、钢构件稳定性验算、空间楼板参与计算
14、、预应力荷载、阻尼器参与计算、索单元模拟,(1)三向地震耦合计算,且竖向地震为主单独计算(2)钢结构延性好,混凝土柱、墙提高延性(3)减轻屋盖,减少地震力(4)结构布置尽量均匀对称(5)阻尼器可有效减少屋盖地震力向下传递(6)腹杆与上下弦杆刚度匹配(7)预应力加强屋盖竖向刚度,5、北部湾体育中心结构优化和多点多维地震输入分析,整体三维模型图,结构体系及特点:本工程“彩虹”屋盖最大落地跨度241米、最大空间跨度252米,平均跨度大于120米,属跨度超限。结构形式为斜交人字形管拱桁架结构,局部增设钢管混凝土柱以增强结构的稳定和减少局部应力过大,不是常见的空间结构形式。,优化前后屈曲对比,加钢板前,
15、加钢板后,没加钢板前,结构在工况(恒载+活载+正压风)下第一阶屈曲因子为8.09,在屈曲位置上表面加5mm钢板,结构第一阶屈曲因子13.93。,拉索布置示意图在桁架底部,共布置六条预应力拉索,预应力索,原结构模型的位移(最大位移:574mm),优化后结构模型的位移(索张拉力为50吨,最大位移:505mm,降低12%),地震传播过程的行波效应和局部场地效应,多点多维地震输入分析,建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)条:平面投影尺度很大的空间结构(跨度大于120m、或长度大于300m、或悬臂大于40m的结构),应根据结构形式和支承条件,分别按单点一致、多点、多向单点或多向多点输入进行抗震
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