現(xiàn)澆鋼筋混凝土交叉外網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)

現(xiàn)澆鋼筋混凝土交叉外網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)

0主抗側(cè)力結(jié)構(gòu)塔塔爾最高法院位于塔塔爾多哈附近，塔塔爾多哈灣附近。有四層地下和44層鋼筋混凝土。屋頂覆蓋著直徑為33m的鋼結(jié)構(gòu)屋頂。共有27米高的桅桿，總高度為231米。建筑總面積為10000米2米。由世界著名的法國建筑師約翰德霍爾設(shè)計。整體建筑形狀簡潔樸素，富有阿拉伯特色（圖1）。該工程主抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土交叉柱外網(wǎng)筒結(jié)構(gòu),由交叉斜柱、環(huán)梁和樓板構(gòu)成,內(nèi)設(shè)偏北布置較小的核心筒,平面呈圓形,底部直徑約為45m,頂部直徑約為33m,樓層半徑隨著高度不斷縮小。每根斜圓柱沿著半徑不斷減小的螺旋線曲折上升,層內(nèi)直線。斜圓柱截面直徑由底層的1.7m變化到頂層的0.9m。交叉斜柱每4層相交一次,柱中心線交叉點位于樓面標高,夾角約為48°,環(huán)梁、樓板每層與斜柱連接。北面入口大廳1～28層不設(shè)樓板,為觀光電梯中庭,南半部分采用腹板開孔工字鋼梁組合樓板,混凝土板厚130mm,東西兩側(cè)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土平板,300mm厚。樓板中心相對于外網(wǎng)筒中心南移1.25m,南側(cè)樓板懸臂3.5～5m,北側(cè)樓板無懸臂。典型樓層結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。1重力荷載作用下環(huán)梁受力性能變化(1)標書設(shè)計未考慮結(jié)構(gòu)自重下施工模擬。由于本工程結(jié)構(gòu)自重占建筑總重的70%以上,且結(jié)構(gòu)自重下南北側(cè)斜柱軸力差異極大,結(jié)構(gòu)剛度一次形成,重力荷載一次加載,造成重力荷載作用下上部樓層環(huán)梁拉力被放大,上部柱出現(xiàn)受拉,內(nèi)力畸形。(2)標書設(shè)計的理念是強化環(huán)梁,采用BS8110CLASS1的標準,對環(huán)梁施加超預(yù)應(yīng)力,所取的預(yù)應(yīng)力值為環(huán)梁軸拉力的2倍,導(dǎo)致大量的預(yù)應(yīng)力筋不得不布置在環(huán)梁外側(cè)的懸挑板內(nèi),迫使懸挑結(jié)構(gòu)厚度為400mm,如圖3所示,進一步加大了南側(cè)斜柱軸壓力。(3)過大預(yù)應(yīng)力將使環(huán)梁長期處于受壓狀態(tài),考慮混凝土徐變收縮影響,環(huán)梁及相連的網(wǎng)筒將不斷向內(nèi)縮小,為避免開孔工字鋼梁壓屈,標書設(shè)計將組合樓蓋與其周邊的網(wǎng)筒環(huán)梁、內(nèi)筒斷開,設(shè)滑動支承,進一步削弱了結(jié)構(gòu)整體性和樓蓋協(xié)同受力性能。(4)按標書設(shè)計,由于重力荷載與網(wǎng)筒中心偏心,重力荷載作用下南北兩側(cè)斜柱軸壓力差異顯著,南側(cè)斜柱軸壓力約為北側(cè)斜柱的2倍。標書設(shè)計未注意到這一重力荷載下柱軸力間的巨大差異將會引起南北側(cè)斜柱較大的差異壓縮變形及其由此而引起的結(jié)構(gòu)南傾的巨大隱患。南北斜柱采用同樣的截面尺寸和同樣的高配筋率4.5%,只是一味的強化環(huán)梁。補充考慮施工模擬,針對標書設(shè)計原結(jié)構(gòu)進一步徐變效應(yīng)計算分析表明,重力荷載作用下20年后該結(jié)構(gòu)頂層的最大水平位移值Δymax將可能達到282mm;南北側(cè)斜柱頂點豎向位移差Δz將達到114mm。整個結(jié)構(gòu)將明顯向南傾斜。這個傾斜是伴隨基本不變的長期重力荷載和混凝土徐變逐漸發(fā)展而成,不可能恢復(fù),完全不同于概率很小的颶風、地震動力荷載作用引起的瞬間可恢復(fù)的彈性變形,大于電梯運行最大間隙150mm,將嚴重影響建筑物正常使用,并造成結(jié)構(gòu)安全隱患。2環(huán)梁設(shè)計的改進方案中建國際設(shè)計顧問有限公司與深圳大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)研究中心聯(lián)合團隊于2005年12月開始介入該工程,在大量計算研究分析基礎(chǔ)上,提出了以下調(diào)整設(shè)計改進建議。(1)進行結(jié)構(gòu)自重下完整的全過程施工模擬,逐層找平,逐層找正。計算結(jié)果表明,總重力荷載標準值作用下環(huán)梁最大拉力可由7500kN降到5000kN。(2)恢復(fù)樓板與網(wǎng)筒、內(nèi)筒連接,提高結(jié)構(gòu)整體性,樓蓋與環(huán)梁共同工作,環(huán)梁最大拉力又減小20%左右。(3)在此基礎(chǔ)上,提出了環(huán)梁設(shè)計采用部分預(yù)應(yīng)力適度強化的理念,允許環(huán)梁出現(xiàn)適量的拉力,允許環(huán)梁正常工作狀態(tài)出現(xiàn)裂縫,控制裂縫寬度≤0.1mm,即BS8110CLASS3的標準,從而使預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量大幅度減少90%左右,預(yù)應(yīng)力筋可只布置在環(huán)梁截面內(nèi),懸臂采用梁板結(jié)構(gòu),板厚調(diào)整為130mm,懸臂結(jié)構(gòu)自重大為減小,僅此一項,全樓結(jié)構(gòu)總重減少可達7000t,有利于減小南側(cè)斜柱的軸力及其與北側(cè)斜柱軸力的差異。圖4為調(diào)整設(shè)計環(huán)梁預(yù)應(yīng)力筋布置圖。(4)進一步將北側(cè)下部1～28層柱實心圓截面改為空心圓環(huán)截面,在保留建筑師同層斜柱截面相同和清水混凝土的設(shè)計前提下,減小南、北兩側(cè)斜柱重力荷載作用下的壓應(yīng)力水平的差異;在滿足承載力要求前提下,調(diào)整斜柱配筋率統(tǒng)一為2.77%,與此同時,北側(cè)28層以上斜柱配筋率適當調(diào)低至2%。徐變效應(yīng)計算分析表明,20年后結(jié)構(gòu)頂層的最大水平位移Δymax可降至145mm;南北側(cè)斜柱頂點豎向位移差Δz可降至64mm,消除了結(jié)構(gòu)過大南傾影響的重大隱患。調(diào)整設(shè)計的改進建議不僅消除了結(jié)構(gòu)的安全隱患,還取得了很好的經(jīng)濟效益,又大大方便了施工,很快獲得了業(yè)主、原標書設(shè)計法國工程師、審查單位、獨立復(fù)核第三方ARUP公司的認可。聯(lián)合團隊于2006年2月正式承接了該工程全部設(shè)計任務(wù),2006年8月設(shè)計工作全部完成,并通過第三方審核,現(xiàn)已施工至地上16層,預(yù)計1年內(nèi)主體結(jié)構(gòu)施工完成。3負荷效應(yīng)及其影響的結(jié)合3.1外墻荷載和活荷載辦公區(qū)考慮吊頂、架空地板、線管等做法恒載取1.5kN/m2,核心筒外部墻體考慮預(yù)埋和建筑需要沿外墻垂直投影附加恒載0.8kN/m2,外墻采用玻璃幕墻加遮陽板,附加恒載取1.5kN/m2。大樓頂部2層設(shè)隔震雙層地板,隔震板通過小鋼柱和鋼梁支承于結(jié)構(gòu)混凝土樓板,計算時隔震板及其支撐構(gòu)件作為附加荷載?；詈奢d按英國規(guī)范BS8110根據(jù)各房間的使用功能選取,辦公區(qū)活荷載包括1.5kN/m2的輕質(zhì)隔墻;屋面為鋼結(jié)構(gòu)穹頂,不上人屋面,活荷載取0.5kN/m2。3.2觀點1:ni1,東北部卡塔爾多哈地區(qū)為一地震低烈度區(qū),場地譜和UBC97zone1,siteB反應(yīng)譜如圖5所示。地震作用偏安全采用了UBC97zone1,siteB反應(yīng)譜;混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比ξ=0.05,鋼結(jié)構(gòu)阻尼比ξ=0.02。3.3有效風速ve計算主體結(jié)構(gòu)風荷載按英國規(guī)范BS6399確定,基本風速為vb=29.2m/s(50年重現(xiàn)期,高10m,10min平均風速),有效風速ve=vb(其中ve的單位為m/s),基本風壓:q=0.613v2e(kN/m2),體型系數(shù)0.8。并按專門風洞試驗結(jié)果進行了驗算。3.4外懸架的影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)外表面局部溫差效應(yīng)可通過覆蓋措施予以降低,主要考慮結(jié)構(gòu)整體溫差效應(yīng)?？⒐な褂煤?由于幕墻、遮陽板外懸和室內(nèi)空調(diào),外界大氣溫度對結(jié)構(gòu)的影響很小。本工程溫度作用只計算施工階段,整體溫差ΔT取值:混凝土結(jié)構(gòu)施工階段ΔΤ{-10℃(冬季)+20℃(夏季)幕墻和設(shè)備安裝施工階段ΔΤ{-20℃(冬季)+30℃(夏季)3.5柱、梁兩端節(jié)點的應(yīng)力作用預(yù)應(yīng)力筋在梁跨范圍內(nèi)是直線,在梁柱節(jié)點范圍內(nèi)是曲線,有限元計算時采用了在梁兩端加一對集中力的等效荷載來模擬預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的作用。見圖6。3.6載荷效應(yīng)的組合基于BS8110,承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合見表1;正常使用狀態(tài)荷載效應(yīng)組合見表2。4主體結(jié)構(gòu)計算計算分析經(jīng)歷了主體混凝土結(jié)構(gòu)與頂部穹頂鋼結(jié)構(gòu)分別建模分析和混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)整體建模分析兩個階段。主要采用的計算軟件有ETABS、SAP2000、ANSYS、MIDIAS、SAFE。按全樓彈性樓板假定進行計算分析,按BS、EURO規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單獨計算模型中將上部穹頂鋼結(jié)構(gòu)風荷載、恒載、活荷載單獨加在與之相連的邊界構(gòu)件上,在計算地震作用時,考慮其質(zhì)量,忽略其剛度;穹頂鋼結(jié)構(gòu)單獨計算模型中,將其與混凝土結(jié)構(gòu)相連的支座節(jié)點作為固定支座。穹頂鋼結(jié)構(gòu)總高約49m,桿件數(shù)量和剛度與混凝土結(jié)構(gòu)相比,量級較小,故考慮鋼結(jié)構(gòu)剛度后的混凝土結(jié)構(gòu)單獨模型與整體模型相比,剛度變化不大。但鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)整體計算分析,能較為準確地揭示結(jié)構(gòu)尤其是上部鋼結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)和混凝土界面連接構(gòu)件在重力、地震、風、溫度等各種荷載作用下的受力特性。主要計算結(jié)果見表3。主體結(jié)構(gòu)由4部分組成:①內(nèi)筒及兩側(cè)現(xiàn)澆混凝土平板;②外網(wǎng)筒,包括交叉斜柱、環(huán)梁、懸臂結(jié)構(gòu);③南半部分開孔工字鋼梁、壓型鋼板組合樓板;④1～28層景觀電梯區(qū)鋼框架組合樓板,如圖7、8示。3、4部分鋼結(jié)構(gòu)鉸接支承于1、2部分混凝土結(jié)構(gòu)。3、4部分結(jié)構(gòu)施工時,1、2部分混凝土結(jié)構(gòu)必須要有足夠的強度,1、2部分必須先于3、4部分施工。經(jīng)研究確定,3、4部分滯后1、2部分4層施工,即1、2部分結(jié)構(gòu)施工n層時,3、4部分施工n-4層。27層以下部分樓層環(huán)梁采用部分預(yù)應(yīng)力技術(shù),預(yù)應(yīng)力張拉滯后1、2部分8層,滯后3、4部分4層,預(yù)應(yīng)力筋張拉產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力等效荷載和結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重一起伴隨著結(jié)構(gòu)施工逐步作用于結(jié)構(gòu),也不是整體結(jié)構(gòu)一次加載。施工階段溫度作用也是隨著結(jié)構(gòu)的生成逐步施加于結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)到頂共48層,其中3、4部分結(jié)構(gòu)施工滯后1、2部分結(jié)構(gòu)4層,考慮樁基有限剛度的約束,預(yù)應(yīng)力和溫度效應(yīng)1、2部分從-1層起進入計算。所以整個施工過程,結(jié)構(gòu)生成一共分為52個階段。在整體模型有限元計算時,采用非線性施工工況52個結(jié)構(gòu)模型真實地模擬了52個階段施工全過程,如表4所示。5綜合計算與分析的具體方法5.1系統(tǒng)內(nèi)筒與外墻鋼柱的重力荷載在長期重力荷載作用下,由于混凝土的徐變效應(yīng),豎向構(gòu)件壓應(yīng)力水平不均衡的高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)較大的水平位移和內(nèi)力變化,影響建筑的長期使用功能,并將造成一定的安全隱患。由于建筑功能需要,外網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)豎向剛心和樓板重心不重合,內(nèi)筒中心偏北,重力荷載作用下南北側(cè)斜柱壓應(yīng)力水平差異明顯。采用ACI-PCA建議和MIDIAS軟件進行了徐變的計算分析,找到了徐變影響下結(jié)構(gòu)傾斜變形的主要因素及其變化規(guī)律,在調(diào)整優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,最終采取了北側(cè)下部斜柱空心、北側(cè)上部斜柱配筋率適當調(diào)低的措施,有效減小了南北斜柱豎向變形差異和結(jié)構(gòu)水平位移(見圖9、10),滿足建筑的正常使用和安全性的要求。5.2節(jié)點靜載模型交叉柱外網(wǎng)筒為主抗側(cè)力結(jié)構(gòu),其承載能力和安全度決定著整個結(jié)構(gòu)的承載力和安全度,是整個工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。斜柱交叉節(jié)點則是整個工程的關(guān)鍵部位,斜柱中心線相交于樓面,該界面為交叉柱節(jié)點最薄弱截面。其面積大約為單柱橫截面面積的1.1倍,受到的軸壓力相當于單柱的1.8倍左右,該節(jié)點必須予以加強,以滿足承載力和強節(jié)點、弱構(gòu)件要求。采用ANSYS有限元程序,SOLID45、SOLID65單元對斜柱交叉節(jié)點進行了實體模型彈性、彈塑性計算分析,計算結(jié)果表明,節(jié)點區(qū)受力復(fù)雜,交叉斜柱與樓面相交的陰角區(qū)有明顯的應(yīng)力集中;提高節(jié)點核心部位的剛度和承載力,使之吸收更多的應(yīng)力,能有效減緩陰角應(yīng)力集中。經(jīng)過對比分析,最終選擇在節(jié)點核心區(qū)加鋼板凳(見圖11)加強的方法,改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象,明顯提高了節(jié)點承載力(見圖12、13)。中國建筑科學(xué)研究院進行了3組9個1/6.8節(jié)點靜載模型試驗驗證,見圖14。試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果符合很好,說明采用鋼板凳對交叉柱節(jié)點進行加強,是必要、有效的。5.3環(huán)梁預(yù)應(yīng)力張拉施工結(jié)構(gòu)第6層以上每層樓板半徑減少5～30cm。重力荷載作用下,斜柱存在外鼓趨勢,環(huán)梁和樓板受拉;同時,重力荷載作用下,南北側(cè)交叉柱軸向壓力差異也使環(huán)梁和樓板受到較大軸向拉力和壓力。環(huán)梁設(shè)計修改原標書設(shè)計超預(yù)應(yīng)力的設(shè)計,采用部分預(yù)應(yīng)力技術(shù),加嚴控制環(huán)梁在正常使用狀態(tài)重力荷載作用下裂縫寬度≤0.1mm,采用的限定拉力[Ν]≤0.8ftA(1)式中,ft為混凝土抗拉設(shè)計強度;A為環(huán)梁橫截面面積。當環(huán)梁受到的重力荷載產(chǎn)生的軸向拉力小于限定拉力[N]時,環(huán)梁可只配非預(yù)應(yīng)力鋼筋,限制正常使用狀態(tài)重力荷載作用下環(huán)梁受拉鋼筋拉應(yīng)力≤170N/mm2,以控制最大裂縫寬度≤0.1mm。環(huán)梁部分預(yù)應(yīng)力量級確定分為以下三步:(1)取出重力荷載標準值作用下環(huán)梁軸向拉力NSLS>[N]者。(2)扣除預(yù)應(yīng)力損失后的有效預(yù)拉力理論值Np應(yīng)滿足:Np≥0.7NSLS且Np≥NSLS-[N](3)確定預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量:采用T15.0高強鋼絞線(75138.6mm2,fptk=1860N/mm2)后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力,預(yù)拉控制應(yīng)力σcon=0.7fptk,扣除預(yù)應(yīng)力損失,有效預(yù)應(yīng)力σpe=0.75σcon,每股T15鋼絞線有效預(yù)拉力p1=138.6×0.7×0.75×1860×10-3=135kN。預(yù)應(yīng)力鋼絞線束數(shù)np=Np/p1。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計計算中常常是取出單根或局部構(gòu)件進行預(yù)應(yīng)力計算分析,或者是整體結(jié)構(gòu)一次加載,預(yù)應(yīng)力計算時結(jié)構(gòu)整體剛度一次形成,一次性施加預(yù)應(yīng)力等效荷載,而沒有考慮預(yù)應(yīng)力等效荷載、結(jié)構(gòu)自重是隨著施工階段逐步作用于結(jié)構(gòu),這樣的計算分析將有較大誤差。采用SAP2000對結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力張拉施工進行了全過程的整體結(jié)構(gòu)模擬計算分析。其中,通過對初始有效預(yù)拉力Np的微調(diào),確保環(huán)梁達到式(2)的要求,保證結(jié)構(gòu)安全使用。整體結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉施工順序見表4。應(yīng)用部分預(yù)應(yīng)力技術(shù),有效地平衡了環(huán)梁一部分軸向拉力,保證了環(huán)梁適宜的剛度,控制了環(huán)梁的裂縫寬度,取得了很好的經(jīng)濟效益。同時,足夠的非預(yù)應(yīng)力筋的配置,既滿足了結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)裂縫控制和承載力要求,又提高了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性,提高了整體結(jié)構(gòu)的延性,有利于結(jié)構(gòu)抗震,方便了施工。5.4施工順序與溫度作用受到溫度變化的影響,結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生溫度變形,當這種變形受到約束時就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。對于鋼筋混凝結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力、溫度變形、荷載分項系數(shù)等問題,各國設(shè)計規(guī)范中尚未有明確規(guī)定。溫度效應(yīng)主要體現(xiàn)在施工階段。采用ETABS結(jié)合實際施工次序進行了溫度效應(yīng)的全過程有限元計算。計算表明,施工順序?qū)囟茸饔眯?yīng)有較大的影響。采用整體結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)全過程施工模擬十分重要。計算分析表明,施工期間需采取沿南半部分樓板周邊設(shè)置后澆縫(縫寬100mm)以減小混凝土收縮效應(yīng),圖15表明了設(shè)置后澆縫的有效性。5.5抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法作為一棟地處伊斯蘭國家、執(zhí)行重要政府職能的建筑,可能是恐怖襲擊的目標。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,除了要進行一般重力、地震、風、溫度等荷載作用下結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定計算外,還要對其進行結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌計算分析。按照業(yè)主任務(wù)書的要求,分析驗算了外圍2～9層任一對交叉柱失效破壞后結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力,并在此基礎(chǔ)上,對必須的部位予以了加強。目前抗連續(xù)倒塌分析的主流方法是通過“拿掉”某些構(gòu)件來模擬失效,忽略了構(gòu)件失效時結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力狀態(tài),計算失真。在研究分析的基礎(chǔ)上,提出了抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法:建筑物受到襲擊、發(fā)生局部破壞前,結(jié)構(gòu)重力荷載作用下正常工作,存在著初始內(nèi)力和初始變形?？惯B續(xù)倒塌計算分析從這個結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力、初始變形——初始態(tài)進入。初始態(tài)內(nèi)力來自于結(jié)構(gòu)自重施工模擬。尤其對豎向構(gòu)件在重力荷載下壓應(yīng)力水平不均勻的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)一次形成、一次加載的內(nèi)力計算結(jié)果與實際不符。當某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件因破壞被去掉時,這些破壞構(gòu)件中的初始內(nèi)力隨之消失,導(dǎo)致剩余結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布。將破壞構(gòu)件消失的初始內(nèi)力(桿端力)定義為“倒塌荷載”作用于“剩余結(jié)構(gòu)”,求解“倒塌內(nèi)力”、“倒塌變形”,迭加“剩余結(jié)構(gòu)”初始內(nèi)力、初始變形,即可得到真實的局部構(gòu)件破壞后“剩余結(jié)構(gòu)”的內(nèi)力、變形。這時,與局部構(gòu)件相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件首當其沖,承受最大的“局部破壞”引起的不利效應(yīng)。抗連續(xù)倒塌是一個短期行為,安全度可適當降低。剩余結(jié)構(gòu)中與破壞構(gòu)件相連的少量構(gòu)件可以適當放寬安全度要求采用屈服承載力復(fù)核,剩余結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件可采用設(shè)計承載力復(fù)核,整個“剩余結(jié)構(gòu)”基本處于彈性狀態(tài),采用彈性模型求解?？惯B續(xù)倒塌典型計算分析模型如圖16、17所示。計算結(jié)果表明:按任務(wù)書要求去掉局部失效構(gòu)件后,剩余結(jié)構(gòu)仍基本上保持在彈性狀態(tài),部分構(gòu)件配筋適當加強后,整體結(jié)構(gòu)仍能維持穩(wěn)定,不會發(fā)生連續(xù)倒塌。5.6屈曲穩(wěn)定分析5.6.1整體屈曲在恒載和活載標準值作用下,線性屈曲分析的第一階屈曲模態(tài)為南北方向的整體屈曲(圖18),幾何非線性分析的荷載位移曲線如圖19,相應(yīng)的整體穩(wěn)定臨界荷載系數(shù)為9.385,結(jié)構(gòu)具有足夠的整體穩(wěn)定性。5.6.2特征參數(shù)屈曲分析北部交叉斜柱1～29層都沒側(cè)向支撐,各交叉斜柱之間、交叉斜柱和環(huán)梁之間互相支承、互相約束,任何一個構(gòu)件的屈曲都會受到其它構(gòu)件的約束作用,受壓構(gòu)件計算長度系數(shù)主要體現(xiàn)該構(gòu)件所受約束作用的大小。通過整體結(jié)構(gòu)的線性屈曲分析,確定各個交叉斜柱的屈曲臨界荷載,進而可由歐拉臨界荷載公式反算構(gòu)件的計算長度系數(shù)μ。μ=πl(wèi)√EΙΝcr式中,EI為該構(gòu)件發(fā)生屈曲方向的彈性抗彎剛度;Ncr為該構(gòu)件的屈曲臨界荷載,由線性屈曲分析得到;l為構(gòu)件的幾何長度,一般可取層高或?qū)觾?nèi)長度(斜柱)。圖20、21為南、北交叉柱屈曲分析結(jié)果,根據(jù)計算結(jié)果,南北交叉斜柱平面內(nèi)外兩個方向的計算長度系數(shù)可分別偏安全取為2.0和3.0,其初始長度為其層內(nèi)斜向幾何長度。5.7單元模擬結(jié)果應(yīng)用ANSYS對開孔工字鋼梁組合樓板進行了彈性有限元分析,開孔工字鋼梁采用SHELL63單元,混凝土板采用SOLID45單元模擬。計算結(jié)果表明,標書設(shè)計的部分鋼梁孔下邊應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力超過鋼材屈服強度較多,如圖22所示,考慮鋼材的一定的塑性發(fā)展,采取以下原則進行控制:(1)孔邊峰值拉應(yīng)力小于1.2倍鋼材屈服強度;(2)孔邊拉應(yīng)力超過鋼材屈服強度的鋼梁面積小于該受梁拉區(qū)面積的40%。按此原則對部分工字鋼梁腹板、翼緣適當加厚調(diào)整。5.8含首層主體結(jié)構(gòu)的雨期大樓首層設(shè)有環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)雨篷,內(nèi)環(huán)半徑22.36m,外環(huán)半徑41.26m。結(jié)合功能需要和美觀要求,雨篷由36榀沿徑向的工字鋼主梁和沿環(huán)向的方鋼管梁和8組X形交叉棒鋼拉桿組成,跨中設(shè)35個方鋼管柱,上銷支承雨篷主梁,下銷支承于-1層鋼筋混凝土梁。主梁最大懸臂12.025m,內(nèi)側(cè)鉸接錨固支承于首層鋼筋混凝土環(huán)梁。雨篷平面內(nèi)穩(wěn)定主要由8組X形預(yù)應(yīng)力棒鋼拉桿提供,拉桿采用R40棒鋼,每根拉桿施加70kN預(yù)拉力(≈0.12fy),控制拉桿在所有各種工況下的組合拉應(yīng)力小于0.6fy和大于0.05fy,拉桿預(yù)應(yīng)力有效提高了雨篷結(jié)構(gòu)的水平剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。雨篷受風荷載影響較大,按風洞試驗結(jié)果,每個風向角為一個工況。從0°～360°按順時針每30°設(shè)定一個風向角,共12個工況。采用ETABS分析,含首層主體結(jié)構(gòu)的雨篷計算模型如圖23。計算作用包括靜載、活載、風、地震、預(yù)應(yīng)力、溫度,同時考慮風