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从一个屋面说起——规范没说怎么办

变形结构侠楼主
1楼2017-10-2310:28
小i首卷语

今天小i继续和大家分享“南大门”,闲言少叙,继续上回




上篇结尾,我们通过结构找形,构建了满足建筑如云一般自由、飘逸、轻浮的设想。可是问题来了......然后呢?毕竟我们不是“PPT公司”,拿着设想就能交差。作为结构工程师,还得将它落到图纸,看它建造完成,并负责它“一生”的安全。




网格布置


我们通过找形,得到的是自由曲面,首先我们需要将曲面离散成为网格。



屋架网格的布置以符合曲面在重力作用下主应力流的走向为基本原则,经过比较多种可能的规则化布置方式后,在保证同等透空率的前提下,选择3.6m×3.6m等边三角形网格与3m×3m直角三角形网格进行比对分析。



按照等边三角形和直角三角形两个方案对屋面进行网格划分,并进行计算分析,比较结构恒载下最大位移、材料用量和整体稳定系数。



可见直角三角形网格的各项结构性能明显优于等边三角形网格,这主要是由于下部混凝土单体布置方式为南北两排建筑交错布置,主应力方向即为直角。因此最终选用直角三角形网格方式,网格大小兼顾了透风率和构件长细比的需求。




风荷载


结构几何模型完成了,下一步就该施加荷载了。


风荷载是屋架设计的控制性荷载对于风荷载的确定,第一反应就是查规范,否则就是风洞试验。可是规范中所列的都是较为规则的形体,显然不适用。但风洞试验是否能够解决我们的问题呢?



本屋盖主要为镂空区域,仅为结构杆件,过小的结构构件截面给实体风洞试验带来了技术上难题。我们构件尺寸为550mmx250mm,如采用实体风洞试验模拟小截面构件,缩尺比例至少为1/150,模型构件截面尺寸3.6mmx1.6mm,此时构件与测压管尺寸差不多了,并且整个屋架模型的总长需40m,由于风洞规模限制,无法完成如此尺度的风洞试验。



那是否能分为几段来做呢?首先,由于屋架外形为连绵不断的自由曲面,如分段,各分块将对相邻段产生很大影响,此部分很难模拟清楚;其次,屋架为单层网壳,整个形态的刚度依赖于各分块柱共同作用,如采用分块模型,支座边界将发生变化,从而影响结构刚度,进而影响实验的精度。



因此,我们不得不放弃应用实体风洞的思路。



我们又寻求数值风洞的帮助。然而如采用数值风洞试验1:1模拟实际构架结构及风环境,需要至少1.6亿左右的网格量,实际计算过程中计算机计算能力是无法实现的,且数值风洞结果离散性较大,一般需与试验风洞结果相互对照参考取用。



因此,我们也不得不放弃应用数值风洞的思路。

这时我们内心是崩溃的,风荷载到底如何确定?



最终,我们选择了“曲线救国”思路,即数值模拟结合局部模型风洞试验验证的方式。


首先根据风洞的规模选定东部端头约1/3长度为作为试验对象,进行1:150模型的测力风洞试验,取得16个风向条件下屋架在123号楼屋顶处的三方向支座总反力



其次,选定同样区域做数值风洞比对分析,建模过程中,在保证孔隙率相同的情况下,将原有3个3m×3m网格归并为一个9m×9m网格,以有效减少网格数量。同时提取8风向角下屋架在123号楼屋顶处的三方向支座总反力,并与风洞试验结果进行对比




数值风洞与试验风洞的对比结果表明,除部分绝对值较小风向角下二者差异较大外,多数风向角下二者吻合度良好,说明数值风洞可以基本正确模拟屋架的实际受力状态。并且数值风洞数值普遍大于试验风洞数值,因此实际计算保守取数值风洞数值不进行折减。


同时可以看出,与有覆面结构风荷载主要为竖向风吸与风压不同。本屋盖主要为无覆面结构,侧向风较大,主控风向角下甚至大于竖向风荷载。



通过对比分析验证数值风洞的正确性与修正系数后,建立整个屋架数值风洞试验模型,同样将3个3m×3m网格归并为一个9m×9m网格,网格数量可由1.6亿左右减少到2000万左右,不超过计算机的计算能力,计算所得屋盖风荷载合力如下图所示。结构计算时提取每个节点8个风向角下的节点力,并分8个工况以节点力方式施加到结构计算模型上。



于是,我们就通过“曲线救国”的方法得到了风荷载,并将其按照节点力施加到每个节点。但这仍然是一种妥协的方法,有很多地方只能采用近似处理,如读者有什么更好的想法,也请不吝赐教。


温度效应


铝合金线膨胀系数约为钢结构的2倍,受温度影响大,本工程为无覆盖外露结构,铝合金构件暴露在外,且屋盖结构600米的连续长度,在升温工况下,上部屋架对下部结构屋面的推力达6243KN对于下部混凝土结构来说,温度荷载超越地震荷载变为控制荷载,这对于造价是无法接受的。因此如何控制屋盖结构的温度效应,也成为必须解决的问题。



一般情况为释放温度效应,可在端头采用滑动支座,可本结构为悬链结构,屋面整体形态依赖于固定的支座条件。如采用滑动支座,在竖向荷载下,会对屋架结构应力与位移产生很大影响。因此,温度效应的“放”与竖向荷载的“不放”,就是困扰我们的一对相悖因素,我们只能从结构布置中另寻出路。



我们先来看一下温度效应下屋架结构构件轴力云图,从图中可以看出主要温度效应集中在屋架沿长方向中间区域。而对比屋架在竖向荷载下的主应力云图,中间横向杆件应力较小,此部分沿长方向杆件为冗余杆件。




因此中间1/3区段抽空横向杆件,边缘1/3区段隔一抽一。抽空后升温工况下最大楼层反力由6243KN减少为3464KN



杆件抽空后,轴力最大部分为沿长方向边缘部分,且此部分风荷载较大,对构件强度的需求也较大,因此将此部分杆件用高强度钢替代铝合金构件,一方面可以利用钢材强度减小构件尺寸,另一方面可有效减小温度效应。替代后升温工况下最大楼层反力由3464KN减少为2628KN



除以上两种手段,设计时针对具体楼层温度工况反力较大情况采取调整斜柱倾角的方式,以牺牲结构刚度的方法来减小温度效应。同时控制结构的合拢温度,使构件升温不超过50℃,降温不超过30℃。综合以上各种方法,最终控制结构的温度效应在结构本身和下部楼层结构均可承受的范围内。


一些感慨


这个项目对小i的挑战是从刚开始到过程中,很多步骤都是没有成熟的经验作为参考。这时就需要结构工程师探索的精神,在这里,要庆幸本项目的结构总师就一直保持着这份探索精神,一直指引着项目推进。i不得不感慨,遇良师,人生一大幸事。

由于篇幅所限,本次主要介绍了网格划分和荷载取值方面的问题。关于结构计算、节点分析、施工方案等方面的问题


项目设计单位:华东建筑设计研究总院


转载于iStructure微信公众号


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  • dwdwdwdwdwdw 2楼
    这个不错了啊
    2017-10-24 09:25
  • 古德满 3楼
    楼主的好文献,即为良师益友
    2017-10-28 06:16
  • shuhelin 4楼
    不知道用什么好

    但可以顶你一下
    2017-10-28 11:14
  • 龙枪虎豹骑 5楼
    学习了 长知识了
    2017-10-30 09:00
  • fishboa116 6楼
    做的这么高大上
    2017-11-3 14:40

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