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为满足杭州亚运会棒(垒)球馆棒球主场项目建筑专业的造型需求,引入了Grasshopper插件的参数化建模方式,通过对建筑曲面进行雨水分析,从而得到最优双曲面。以该双曲面为基础,通过固定网格划分,结合Grasshopper参数化建模电池组,建立正交平面钢桁架结构几何模型。此外,为满足细长柱的要求及合理受力,采用直接分析法分析与计算罩棚钢结构。顶部罩棚通过建筑曲面拟合获得较大的桁架高度,增大了线刚度,降低钢柱受力。而直接分析法考虑了初始几何缺陷、P-Δ效应等,将钢柱计算长度系数取为1.0,规避了传统计算方法钢柱计算长度系数难以确定的弊端,从而将钢柱长细比控制接近于理论最大值,以获得最小截面。同时,充分利用雨水管与装饰柱,根据重要性设立不同的要求,达到竖向构件粗细不一的建筑效果。
金华市体育中心包括体育场、体育馆和游泳馆,设计以兼做建筑外立面造型的V形混凝土柱为主要竖向承重构件,主体结构采用钢筋混凝土框架结构,体育馆和游泳馆大跨屋盖采用双曲面双层钢网壳,体育场月牙形罩棚采用双层钢网壳+封边管桁架拱的形式。分别对体育馆环形超长混凝土结构和体育场扇形超长混凝土结构进行温度应力分析,根据应力分布规律和大小,对体育馆采用外廊设缝,对体育场看台采用径向设置诱导槽+环向框架梁设置无粘结预应力钢筋等综合措施,以有效降低混凝土收缩应力的不利影响。对大跨钢屋盖结构进行了承载力、变形、稳定性分析和管桁架节点有限元分析,采用主管局部加套管的方法改善相贯节点处的受力性能,实现了经济合理的设计目标。
黄河三角洲农产品交易服务中心含5个展厅和一个会议中心,均为大跨复杂结构,介绍了展厅屋盖结构选型、主体结构与贝壳造型幕墙刚架一体化分析设计,以及针对超长、大跨、大悬挑等特点采取的计算及构造措施。探讨了1#展厅屋盖张弦钢拱架结构的形态确定、索张力控制、单榀拱架和整体结构计算比较、包络设计、整体稳定分析等问题。针对5#展厅斜柱支撑的屋盖结构及下部支撑屋面的分叉柱分别进行了整体分析和细部有限元分析。结果表明整体结构满足设计要求,具有良好的工作性能。
合肥一中体育场雨蓬为改造项目,在不破坏原有看台结构的基础上,新建跨度为160m的拱形雨蓬来实现建筑的功能。此工程采用大跨钢管拱桁架结构形式,主拱跨度为128m,属于跨度超限结构。通过数值模拟风洞试验,得到了此结构的体型系数和风振系数,并和相关规范及文献进行对比,获取合适的风荷载参数对结构进行分析。采用3D3S、MIDAS Gen等软件对结构进行了静力和变形计算、抗震性能分析、稳定性分析、抗连续倒塌性能分析、支座位移分析等。采用ANSYS软件对结构的关键节点进行了有限元分析,并在重要部位及薄弱区域进行了构造加强措施。结果表明,该结构的承载力和变形均满足相关规范要求,节点可以满足承载力要求。
联合国地理信息会址配套工程采用长轴67.428m、短轴52.795m的单层类椭球形非规则网壳,与相邻的幕墙、屋顶楼板等结构相连,网壳结构和邻近结构外形关系复杂。从网壳结构建筑需求及网格划分、风洞试验、结构静力分析、稳定分析等方面对网壳结构进行了分析与设计。给出了网壳中部采用K8型时不同圈扩展下的多方案网格划分方案,比较了网壳特点和受力特性,为建筑师提供了选择的机会,满足了建筑师设计意蕴。网壳结构横跨主体建筑立面及屋顶平面,结构荷载规范给出的体型系数无法真实反映网壳结构受风状态,风荷载取值应按照风洞试验确定。由网壳杆件、幕墙构件、楼面梁设计形成的空间巨型桁架,不仅极大地改善了网壳结构的强度和刚度,而且还解决了屋顶大跨度楼面的设计难题。
秦皇河国家湿地修复及保护技术中心包含四季植物温室、接待中心、综合服务中心、湿地修复展厅、植物科普体验馆(城市展厅)、设备用房以及室外灰空间等。5个单体通过一个自由曲面的大跨度屋盖连成整体,上部为大跨单层钢网壳屋盖,下部为钢筋混凝土框架。本工程存在超长、异形、大跨等复杂情况,设计时进行多软件复核计算、抗震性能化设计、抗连续倒塌验算、网壳非线性稳定及支座刚度敏感性分析、复杂构件及节点细部有限元分析等计算分析并采取合理的构造措施,保证整体结构的工作性能和结构的经济性。
不同族的正(余)弦函数曲线沿高度和长度方向共同放样,可形成复杂的空间曲面。将0°、45°、90°和135°放置的耐候钢砖沿异形空间曲面进行模块化排布,可形成复杂的耐候钢砖幕墙。针对此耐候钢砖幕墙,提出了由内置异形钢框架、面外支撑和空心钢砖所组成的稳定幕墙体系,并对此幕墙体系的力学性能进行了精细化的有限元模拟分析。分析结果表明,该幕墙体系整体受力性能好,结构传力途径明确,可满足结构承载和正常使用要求,是一种能满足建筑的空间视觉与美观要求的幕墙结构体系。
杭州某超限超高层建筑的结构高度295.77m,采用圆钢管混凝土柱框架+钢筋混凝土核心筒+伸臂桁架结构体系。利用设备层和避难层设置三道环带桁架加强层,同时在中部避难层设置一道伸臂桁架加强层,提高结构整体抗侧刚度。对整体结构进行了弹性和弹塑性分析,并针对超限情况对关键部位提出相应的加强措施,保证结构整体和各类构件满足预期的抗震性能化目标。
嘉兴金融广场二期6#地块建筑单体由超高层主楼、高层副楼、多层裙楼组成,没有采用设置防震缝分隔成独立的单体,形成多次收进的大底盘结构,并且主楼的钢筋混凝土核心筒偏置。针对核心筒偏置和多次收进采取加强措施,并进行了中震和大震作用下的性能化分析和动力弹塑性结构分析,研究了地震作用的传力顺序和受力机制。结果表明不设置防震缝,采取结构加强措施能够满足设定的抗震性能目标。
项目为两栋剪力墙结构组成的不等高连体住宅楼,两栋塔楼高差非常大。双塔在高位通过钢桁架连接,钢桁架及以上钢梁与塔楼型钢混凝土柱刚性连接。通过调整结构布置,优化传力路径,协调两塔楼侧向刚度和动力特性,以减小塔楼刚度不对称导致的附加内力。通过对单塔模型和整体模型计算结果进行对比分析,发现设置连体使扭转振型提前出现,扭转振型更加复杂,对抗震不利。三水准设防下的连体桁架分析结果表明,钢桁架具有足够的承载力储备,较大的竖向刚度,且大震下基本处于弹性工作状态。对结构进行大震动力弹塑性分析,发现结构薄弱部位,并采取相应加强措施。采用拆除构件方法进行的防连续倒塌分析结果表明,连体结构的防连续倒塌性能良好。对连体桁架关键节点进行精细化分析,优化节点构造,实现了“强节点弱构件”。
杭州某连体高层创伤中心结构高度为86.3m,由两座塔楼和裙房组成。该建筑主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,双塔在16~18层通过钢结构连廊连接为一体,其跨度为33m,宽度为16m。为了减小连接体构件内力,减小构件截面尺寸,减小施工难度并减少对建筑方案的影响,钢结构连廊与主体结构的连接采用弱连接形式。在设计阶段,对该超限高层建筑结构的关键部位和关键构件进行了精细分析,并进行了弹性和动力弹塑性时程分析,以确保结构和各类构件的抗震性能可以达到预定的目标。计算结果表明,该连体结构体系可以满足承载力、抗侧力、变形和舒适度的要求。
针对超限高层抗震性能化设计中若干问题进行了探讨,首先讨论了刚重比、位移比、侧向刚度比这3个重要的指标,提出了计算中存在的问题并给出建议;其次介绍了抗震性能化设计方法和抗震性能评价,提出了根据结构特点和结构构件的重要性应采取差异化的性能目标,并探讨了等效弹性计算方法与弹塑性时程计算方法的优缺点;然后对超限高层建筑中常见的几个专项分析及存在的问题进行了探讨,温度作用效应分析由于影响因素较为复杂,不必拘泥精确的数值结果,更应注重定性规律和构造措施,建议穿层柱屈曲分析时可采用构件单位力加载模式;最后针对高层连体结构,提出了地震波选取应兼顾塔楼和连接体的振型周期,说明了连体支座选型应注意的问题。
绍兴大禹纪念馆造型似鼎,结构主要特点为承重构件面外倾斜,角部大悬挑。因主要展厅设置于地下室,地下室层高较高、柱网跨度大,且坡地建筑周围被山体和景观堆坡环绕,地下室抗浮设计较为关键。介绍了单层超深地下室排水减压抗浮与扶壁挡墙设计、大跨有覆土顶板结构选型;对地上塔楼面外倾斜钢桁架悬挑结构进行了承载力变形、施工模拟、抗连续倒塌、楼盖舒适度等专项分析。分析结果表明,结构满足建筑造型及使用功能要求,验证了设计分析及技术措施的可行性。
某大学教学组团为4塔多连体结构,通过3处大跨度连廊连为一体。各单体自身存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续等不规则,另加3个大跨连廊形成复杂连接。连接体与主体结构采用铅芯隔震橡胶支座的非刚性连接方案,设计中采用了基于性能的抗震设计方法,根据结构构件的重要性,提出差异化的抗震性能目标,并对连体钢桁架进行了抗连续倒塌分析。对于弱连接体结构,选取地震波时兼顾了连廊的自身振动周期,并补充考虑了地震波主向垂直于斜交连廊工况。在此基础上,补充了风和温度作用下连廊支座分析,并通过多种抗震加强措施,确保结构构件满足设定的抗震性能目标。
顺昌博物馆是一座采用框架-剪力墙结构体系的公共建筑。博物馆主体包括东、西两栋建筑,两栋建筑通过一个由两片曲面桁架及中心圆环构建的通道空间相连。结构除存在扭转不规则、楼板不连续外,还存在大跨度、连体情况,利用楼板刚度大的特性设计了支撑于不同楼面高度的桁架,满足了建筑对空间的要求。采用YJK软件对结构进行整体计算,各项指标均满足现行规范要求。针对该工程特点及结构设计难点,进行补充分析,主要包括关键构件的力学计算、楼板应力分析、考虑桩弯曲刚度与不考虑时结构内力对比分析。计算结果表明,该结构安全可靠,有效解决了侧推力的问题。
浙江建设科技研发中心由15层的塔楼与8层的裙楼组成,主体结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,楼盖形式为平衡室内净高以及建筑造价采用钢筋混凝土框架扁梁+大板结构。裙楼与主塔楼在3~8层的连接体采用强连接的方式,连接体两端设置型钢混凝土梁、柱。三层地下室由于用地限制采用两墙合一的地下连续墙围护结构。结构设计在扩初阶段根据建筑专业要求,改进了连接体方案。由底部钢桁架、上部为钢框架的结构改为每层均采用单跨型钢混凝土框架大梁,使整体结构受力性能更优。根据超限情况采取了不同软件进行计算分析,在小震、中震、大震作用下的计算结果均能满足设计要求;并制定了相应的抗震设计性能目标,设计中针对性地采取了抗震加强措施;最后对连接体楼盖进行了舒适度验算。
绍兴滨海科技城核心区二期项目5#、6#单塔采用框架-剪力墙结构,为两栋不等高单塔组成的连体结构。为保证建筑采光效果和施工便利性,连接体采用中部楼板开大洞的钢筋桁架楼承板-钢梁体系。针对工程存在扭转不规则、楼板不连续、多塔、连体的超限特点,整体结构设计通过设置多道防线,力求结构平面及竖向布置规则,并采用加强关键构件等措施提高结构整体抗震性能。针对连接体中部楼板开洞的特点,通过调整结构布置使两单塔动力特性接近,增强连接体构件与周边框架连接构造的方式,实现了连接体与两侧单塔的强连接。通过对该结构体系在不同地震水准下整体及分塔模型的分别计算,补充专项节点分析、舒适度分析等计算,确保设计能够满足规范并达到抗震性能目标要求。
由于建筑立面效果和使用功能的需求,某公交场站采用板-柱结构体系。该工程由三种尺寸的“伞单元”错落、组合而成,最大伞单元尺寸为17 200(长)×15 200(宽)×1 750(厚),单侧悬挑8 600mm,上覆600mm厚覆土,悬挑大、荷载重、结构单元新颖。采用YJK和MIDAS Building两种不同的力学模型软件进行多遇地震的比较分析,经过精细建模后两者计算结果基本一致;并补充弹性时程分析和罕遇地震下的静力弹塑性分析,确保结构各项指标参数均满足规范要求。采用抗震性能化设计,对关键构件进行抗震性能分析和构造措施加强。另外采用MIDAS Gen及ABAQUS软件进行楼板的舒适度分析及有限元精细化分析,计算结果表明结构舒适、安全可靠。
义乌市文化广场为含大量大跨、大悬挑、重载的平面及竖向均不规则的复杂结构。主体结构根据各部分具体建筑功能、跨度合理选择采用钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢结构等局部结构形式。通过系统性和针对性的结构设计,结构承载力、延性得到了保障。重点阐述了大悬挑屋檐和连接体连接方式的选型并分析了此连接体的受力特性。各项计算结果表明,此连接体结构受力合理,传力直接。保证建筑使用功能的前提下,既满足了结构的安全性,又兼顾了经济合理性。
预制桩沉桩产生的侧向挤压会对周边环境产生不可忽视的影响。系统总结了沉桩挤土效应对周围环境影响的研究现状,主要集中在沉桩挤土效应影响因素,沉桩挤土对邻近建筑物、隧道、市政设施及地下管线影响,挤土效应防治措施3个方面。研究结果表明:沉桩挤土效应受土质、桩参数、布桩规模及方式3个方面影响,会导致桩周土体位移、土体抗剪强度、桩承载力和孔压分布发生变化;沉桩对邻近建(构)筑物的影响受建(构)筑物与沉桩点距离、桩长、沉桩速率、桩数量和沉桩顺序等多因素的共同作用;从设计、施工、监测上采取措施,可以在一定程度降低沉桩挤土影响。在上述基础上,提出今后需要重点研究的方向:分析硬黏土、砂土地区沉桩挤土效应,厘清不同土体沉桩挤土的规律;研究沉桩施工对邻近建(构)筑物影响的定量关联规律,建立沉桩参数、土体参数和邻近建(构)筑物变形的定量关系;开展沉桩挤土效应对周边环境影响的动态风险评估,为挤土效应防治提供指导。
海南省三亚地区部分场地存在较厚砂土层及桩端持力层承载力不高,劲性复合桩作为一种新桩型,其兼具预应力管桩桩身强度高、施工方便及水泥土搅拌桩桩侧阻力大的优点,可以较好适用于此类场地土。以海南省三亚地区某实际工程为例,对预应力混凝土管桩、钻孔灌注桩和劲性复合桩三种桩型从承载力、经济性、施工要点等方面进行对比分析。采用YJK软件分析了劲性复合桩对基础沉降的影响,并与实测沉降观测数据对比。结果表明,劲性复合桩承载力高、经济性好,对基础沉降有利,在此类场地中具有一定的优势。最后,针对劲性复合桩的特点,提出其施工控制要点。
对于带裂缝胶合木梁柱螺栓-钢填板连接节点,提出了运用钢箍、碳纤维布和自攻螺钉三种加固方案。在考虑裂缝影响的基础上,利用ABAQUS有限元软件对加固节点进行精细化模拟,分析加固节点的应力分布与变形情况,研究加固节点的抗弯性能,并与完好节点、未加固带裂缝节点进行对比。结果表明,加固节点的承载力和刚度可有效恢复,不同加固节点的抗弯承载力可恢复至完好节点的95.4%~101.8%,初始刚度可恢复至完好节点的97.9%~102.6%,其中抗弯承载力相比于未加固节点提高约64.4%~75.6%。另外,钢箍、碳纤维布和自攻螺钉均可有效地限制既有裂缝发展,提高加固节点的延性,恢复节点的耗能能力。