内蒙古美术馆复杂结构设计交流.pdf
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1、内蒙古美术馆复杂结构设计 樊钦鑫 2021年12月 一 二 三 四 总体总体建筑概况建筑概况 结构设计主要参数结构设计主要参数 结构设计的主要难点结构设计的主要难点 施工过程及建成后照片施工过程及建成后照片 目录目录 六 总结总结 五 铸钢节点铸钢节点数值分析及数值分析及试验研究试验研究 区域位置 内蒙古自治区美术馆项目,建设地块位于呼和浩特市。地块与西北方向现有城市地标内蒙古博物馆、乌兰大剧院、内蒙古科技馆、内蒙古演艺中心隔路相望,东北方向为市中心政府,下机场二环边上,位置显要,交通便捷。一一 总体建筑概况总体建筑概况 设计概念 隐喻舒缓的草原曲线和蒙古包的编织工艺的意象,美术馆与保护中心两
2、组建筑宛若浮在草原上的宫殿。建筑概况 美 术 馆 属 于 大 型 博 物 馆,面 积 约40000m2,地下约6000m2,地上约34000m2;地下一层,地上四层,建筑高度3044m;建成后成为地标性建筑,誉为 “内蒙古自治区成立70周年献礼工程”一一 总体建筑概况总体建筑概况 0.0M标高平面(矩形99x103m)6.0M标高平面(L型)22.0M标高平面 16.0M标高平面 9.0M标高平面 一一 总体建筑概况总体建筑概况 典型剖面(3044m)地下地下1 1层层 :设备用房、车库设备用房、车库、藏品库房藏品库房 地上地上4 4层层 :活动区、活动区、公共大厅、展厅公共大厅、展厅、教室、
3、教室、画室画室 一 二 三 四 总体总体建筑概况建筑概况 结构设计主要参数结构设计主要参数 结构设计的主要难点结构设计的主要难点 施工过程及建成后照片施工过程及建成后照片 目录目录 六 总结总结 五 铸钢节点数值分析及试验研究铸钢节点数值分析及试验研究 主体结构框架-剪力墙(局部钢结构)混合结构。基本风压 Wo=0.55kN/m2(主体结构,50年重现期)Wo=0.60kN/m2(围护结构,100年重现期)抗震设防有关参数 设防烈度:8度(0.2g),设计地震分组:第1组 建筑场地类别:III类 温度作用升温考虑+25 ,降温考虑-30 建筑结构的安全等级:一级 设计使用年限:50年 地基基础
4、设计等级:甲级 建筑抗震设防类别:乙类 混凝土耐久年限:100年 二二 结构设计主要参数结构设计主要参数 一 二 三 四 总体总体建筑概况建筑概况 结构设计主要参数结构设计主要参数 结构设计的主要难点结构设计的主要难点 施工过程及建成后照片施工过程及建成后照片 目录目录 六 总结总结 五 铸钢节点铸钢节点试验研究及数值分析试验研究及数值分析 三三 结构设计的主要难点结构设计的主要难点 1.结构概念设计成就建筑之美:满足建筑体型、内部空间功能、舒适观感细节的需求,争取最优的结构体系 合理的结构体系、外幕墙的设计、满足建筑内部空间设计(外悬内吊体系)、满足建筑水平、竖向交通设计(剪力墙,楼板、斜撑
5、)、展厅舒适度分析 2.整体设计难点分析抗震性能化设计、静力抗倒塌设计、整体静力、稳定设计 3.关键杆件及节点设计屈曲约束支撑、吊杆、铸钢节点 整体把控建筑方案确定合理的结构体系 混凝土部分混凝土部分 悬挑钢结构部分悬挑钢结构部分 1 成就建筑之美(合理结构体系)成就建筑之美(合理结构体系)0.0M标高标高平面平面 6.0M标高标高平面平面 22.0M标高平面标高平面(夹层(夹层)16.0M16.0M标高标高平平面面 9.0M标高标高平面平面 12.0M标高标高平面平面(夹层)(夹层)屋面标高平面屋面标高平面 剖面模型剖面模型 层的概念不清晰,夹层较多,传力路径不直接,整层悬挑高18m,跨度2
6、7m 1 成就建筑之美(合理结构体系)成就建筑之美(合理结构体系)1 成就建筑之成就建筑之美(合理结构体系)美(合理结构体系)1.满足建筑功能展厅,屋面防水采用重荷载整层悬挑 2.最大27m,吊挂最大22m,桁架最大跨度40m,体系支承在核心筒及框架柱上 1 成就建筑之成就建筑之美(合理结构体系)美(合理结构体系)悬挑钢结构体系(竖向体系及平面体系)抗抗侧力构件侧力构件+竖向幕墙体系竖向幕墙体系+上下两个楼盖上下两个楼盖4 4部分部分 体型扭转、斜向倾斜面、扭曲面幕墙重点 屋顶边界线屋顶边界线 1.1.L L造型造型,22m22m,16m16m与屋顶平面投影扭转,与屋顶平面投影扭转,外围幕墙设
7、计外围幕墙设计困难四周为倾斜困难四周为倾斜旋转旋转面。面。2.2.根据建筑外表皮的材料根据建筑外表皮的材料与可视要求,西北以及东南与可视要求,西北以及东南 1 成就建筑之美(外体型幕墙设计)成就建筑之美(外体型幕墙设计)幕墙区域二幕墙区域二 幕幕墙墙区区域域一一 建筑幕墙设计(西北展厅)悬挑钢结构北侧 悬挑钢结构西侧 1 成就建筑之成就建筑之美(外幕墙设计)美(外幕墙设计)初步设计方案 施工图方案 1.1.玻璃铝玻璃铝板板幕墙可视性结合幕墙立面分格幕墙可视性结合幕墙立面分格 2.2.结构设计结构设计满足建筑规律性,形成整层满足建筑规律性,形成整层悬悬 挑受挑受力状态,降低幕墙设计难度力状态,降
8、低幕墙设计难度 建筑幕墙设计(东南楼层)1 1 成就建筑之成就建筑之美(外幕墙设计)美(外幕墙设计)悬挑钢结构东侧 悬挑钢结构南侧 1.铝板或石材幕墙,对可视性要求较低 2.通过斜撑,钢骨柱,钢骨梁实现外幕墙 1.重荷载,大跨度,与建筑师沟通设置斜撑 压杆提高竖向刚度,吊杆周边布置 2.自平衡“外悬内吊”的整层空间受力 3.避免结构整体倾覆,减小基础的负担 建筑空间内设置关键构件(设置斜撑及吊杆)“外悬内吊”自平衡体系 吊挂支撑体系示意图 屋面荷载(含楼板):恒载屋面荷载(含楼板):恒载6.0kN/m6.0kN/m2 2 活载活载2.0kN/m2.0kN/m2 2 22m22m荷载荷载(含楼板
9、)(含楼板):恒载:恒载6.0kN/m6.0kN/m2 2 活载活载5.0kN/m5.0kN/m2 2 1 成就建筑之美(建筑内部空间)成就建筑之美(建筑内部空间)27m27m 40m40m 核心筒及楼板水平力有效传递 1 成就建筑之美(整体水平竖向交通)核心筒剪力墙 复杂区域楼板 1.楼电梯及外围设置核心筒,满足竖向传递直接。2.加厚细勃楼板薄弱部位,满足地震水平有效传递。3.调整剪力墙布置及洞口控制扭转 钢结构部分水平力有效传递 交叉斜杆 斜向吊杆 支撑斜杆 耗能斜杆 1 成就建筑之成就建筑之美(局部)美(局部)1.混合结构体系水平力传递均匀性,连续性 22m展厅及画室舒适度分析 1 成就
10、建筑之美(使用舒适度)成就建筑之美(使用舒适度)展厅展厅 开放展厅 模式一:最大值6.5mm/s2.模式二:最大值70mm/s2.模式三:最大值8.3mm/s2.模式二多点连续步行最不利竖向加速度为 0.070m/s2,小于规定的0.22m/s2 的限值,满足舒适度控制要求 因悬挑吊挂f=1.8 HZ 3 HZ 需要验算人流活动竖向加速度峰值 竖向第一阶频率 峰值加速度限值(M/S2)人员活动环境 竖向自振频率不大于 2HZ 竖向自振频率不小于 4HZ 住宅、办公 0.07 0.05 商场及室内室内连廊连廊 0.220.22 0.15 荷载模式1:竖向位移最大点处单点连续步行。荷载模式2:竖向
11、位移最大点处多点连续步行。荷载模式3:人行列荷载,每点输入步行一步荷载。模式一 模式三 模式二 2 2 整体整体设计难点设计难点分析分析(超限)(超限)扭转不规则 凹凸不规则 楼板不连续 穿层柱 竖向尺寸突变外挑、收进(悬挑最大27m)夹层错层 2 2 整体整体设计难点设计难点分析分析(超限)(超限)抗震性能化设计:根据内蒙古自治区建设厅内蒙古自治区超限高层建筑工程界定规定及住建部超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点规定,本工程存在以下超限情况:1)单向偶然偏心的地震作用下,3层结构X方向位移比1.255,Y方向位移比1.273,大于1.2小于1.4,属平面扭转不规则;2)本工程平面为L形
12、,平面凹进的一侧尺寸约为相应投影方向总尺寸的50%,大于30%,属平面凹凸不规则;3)本工程6m和16m楼面开大洞,开洞面积大于该层楼面面积的30%,属楼板局部不连续;4)本工程入口大厅有大悬挑竖向不规则,处有穿层柱,夹层和错层局部不规则。综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构超限程度等因素,本工程的抗震性能化目标符合高规(JGJ3-2010)为C级,对应的抗震性能化水准为:多遇地震下满足性能水准1(完好、无损坏)要求;设防烈度地震下满足性能水准3(轻度损坏)要求;罕遇地震下满足性能水准4(中度损坏)要求。2 2 整体整体设计难点设计难点分析分析(超限)(超限)抗震性能化设计:(典型复
13、杂不规则超限、三水准三阶段设计)静力分析、多遇地震作用下:结构构件处于弹性,并满足承载力和刚度验算要求。在中震作用下,结构主要抗侧力及关键受力构件(包括错层处核心筒、框架柱,悬挑钢结构关键构件及相邻构件)满足性能指标对应的承载力验算要求。在大震作用下,结构部分构件已经进入塑性,重点通过对结构整体指标(弹塑性层间位移角、基底剪力)和构件性能(塑性发展的区域、损伤程度、拉应力)两个方面来找出结构薄弱部位,并采取加强措施。2 2 整体整体设计难点设计难点分析分析(超限)(超限)主要加强措施:1.增加结构冗余度,合理设置结构屈服与耗能机制:2.楼板的设 计依据小震、中震弹性楼板应力分析;3.楼层错层位
14、置设置的剪力墙及框架柱抗震等级提到特一级,箍筋全高加密;4.楼板局部不连续、大开洞处、细脖板厚增大到180mm,板钢筋双层双向贯通布置,楼板的配筋率为2.5%;5.提高底部加强区竖向及水平钢筋配筋率,在角柱内设钢骨承担拉力,保证复杂区域剪力墙、框架柱等关键构件满足中震不屈服;6.控制底部剪力墙名义拉应力2ftk;2 2 整体整体设计难点设计难点分析分析(超限)(超限)罕遇地震下结构动力弹塑性时程分析罕遇地震下结构动力弹塑性时程分析:1.连梁:损伤范围较广,程度较为严重,2.框架柱:大部分框架柱在大震下仍处于弹性阶段,个别与剪力墙相连的柱进入塑形,构件塑性铰状态评价处于使用极限状态下。2 2 整
15、体整体设计难点设计难点分析分析(超限)(超限)3.大部分剪力墙在大震下仍处于弹性阶段,部分剪力墙底部及洞口边缘剪切损伤 较为严重。通过在混凝土筒体四角以及受损伤较严重的剪力墙两端均埋 设钢骨柱加强剪力墙的抗剪性能,已保证剪力墙在大震作用下有足够的延性。2 2 整体整体设计难点分析设计难点分析 结构整体静力分析:结构整体静力分析:按照规范要求考虑各种荷载工况组合下结构承载力极限状态和正常使用状态下的性能。其中荷载工况包括恒荷载、活荷载(包括雪荷载)、风荷载以及温度荷载。所有荷载组合下,控制关键杆件应力比小于0.85(巨型斜杆、吊杆、格构柱及斜撑、悬挑根部关键构件),其余杆件小于0.9。悬挑钢结构
16、关键构件应力图 悬挑钢结构D+L位移图 因恒载采用重屋面,风荷载不起控制作用,正常使用状态下D+L组合的竖向位移最大,悬挑端部竖向位移为88mm,结构挠跨比为88/27000=1/310,跨中的竖向位移为64mm,结构挠跨比为64/40000=1/625,满足悬挑挠跨比1/125,跨中挠跨比1/250指标。2 2 整体整体设计难点分析设计难点分析 结构整体稳定分析:结构整体稳定分析:为考察整层桁架外幕墙是否有扭曲失稳的效应,采用MIDAS Gen有限元分析软件对整层悬挑钢结构部分进行整体稳定分析,选取了整体变形的第一阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态,初始缺陷取跨度的1/300。按照仅考虑几何非线
17、性影响进行计算,结构失稳的临界点荷载值为结构正常使用状态承载力的6.2倍,满足规范4.2要求。几何非线性变形形态几何非线性变形形态 荷载位移曲线荷载位移曲线 0.00.10.20.30.40.50.60.70.801234567荷载系数节点位移(m)耗能斜杆耗能斜杆 2 2 整体整体设计难点分析设计难点分析 抗倒塌设计(拆除构件法)悬挑钢结构抗倒塌分析原则:拆除直接相连构件承载力:2【(恒载)+0.5 L(活载)】+0.2 W(风载)1.25Fyk 其余构件承载力:D(恒载)+0.5 L(活载)+0.2 W(风载)1.25 Fyk 正常使用下位移:D(恒载)+0.5 L(活载)L(跨度)/12
18、5 拆除构件示意图拆除构件示意图 直接连接弦杆腹杆直接连接弦杆腹杆 其余构件其余构件 屈曲约束支撑(承载力型)设计:悬挑钢结构部分,为增加整体刚度,在屋面与22m之间设置斜支撑,属于本项目生命杆件,故根据性能化设计目标考虑水平、竖向中震作用下抗剪、抗压弹性设计。3 关键杆件及节点设计关键杆件及节点设计 屈曲约束支撑 屈曲约束支撑示意图 3 关键杆件及节点设计关键杆件及节点设计 内力分析:中震作用下,最大轴力达到8000KN,水平地震占40%,竖向地震占8%,静力荷载占52%.故为提高构件的安全度,选用承载力型屈曲约束支撑。既满足静力承载力,又保证在大震下具备一定耗能能力。屈曲约束支撑:一共七根
19、,最长18米,最短10米,选用屈曲约束支撑后断面有效可以减小25%,降低地震水平分力,便于节点连接。吊杆设计:1、既满足水平力传递,又能提供竖向支点,受拉脆性破坏,延性较差 2、水平、竖向大震作用下抗剪、抗拉、抗压不屈服:应力比0.95 3、大震三向地震动时程分析下杆件出现受压反号:受压杆长细比120控制 3 关键杆件及节点设计关键杆件及节点设计 吊杆吊杆示意图示意图 悬挑钢结构平面网格划分:悬挑钢结构的屋面曲线沿幕墙角点逐渐向上翘曲,形体非常复杂,同时屋面与22m平面投影相互交错,不在一个投影面内,给结构网格划分带来较大难度。所以平面网格结合格构柱、框架柱及核心筒等支承条件放射性布置,沿径向
20、及环向分别设置了平面桁架。平面桁架高度约3m,根据跨度等分网格,网格数不等时通过三角形过度,节间长度一般在34m。同时为了使外幕墙竖向连接体系有效连接屋面及22m桁架,形成整体受力体系,优化设置封边桁架。3 关键杆件及节点设计关键杆件及节点设计 屋面网格布置图 22m网格布置图 一 二 三 四 总体总体建筑概况建筑概况 结构设计主要参数结构设计主要参数 结构设计的主要难点结构设计的主要难点 施工过程及建成后照片施工过程及建成后照片 目录目录 六 总结总结 五 铸钢节点数值分析及试验研究铸钢节点数值分析及试验研究 四四 铸钢铸钢节点试验研究及数值分析节点试验研究及数值分析 根据抗震超限审查要求,
21、对与屈曲约束支撑连接节点特殊加强,满足在大震作用下节点不屈服,保证强节点弱构件。又因杆件交汇状态特殊、复杂且位于受力关键部位的节点,规范中对该构型的焊接节点无明确规定,传统节点连接如焊接球、钢管相贯焊等不能满足复杂结构发展需要,为确保节点区安全,采用铸钢节点来解决;项目名称项目名称 最大施加最大施加内力(内力(分拉力、压分拉力、压力)力)KN 模型及模型及试验单位试验单位 模型图片模型图片 广西体育中心游泳跳广西体育中心游泳跳水馆水馆 最大压力:最大压力:-8340kN 最大拉力:最大拉力:469.9kN 三维模型三维模型,同济大学,同济大学 杭州国际会议中心杭州国际会议中心 最大压力最大压力
22、:-15500kN 最大最大拉力:拉力:3590kN 三维三维模型模型,同济大学同济大学 深圳大运中心体育馆深圳大运中心体育馆 缩尺缩尺最大最大压力:压力:-2766kN 缩尺缩尺最大最大拉力拉力:1680kN 1:2模型模型 三维三维模型,华南理工大学模型,华南理工大学亚亚热带建筑科学国家重点实验热带建筑科学国家重点实验室室 苏州火车站苏州火车站 最大压力:最大压力:-1685kN 最大拉力:最大拉力:1398kN 三维模型三维模型,同济大学,同济大学 北京奥运会老山自行北京奥运会老山自行车馆车馆 最大压力:最大压力:-3380kN 最大拉力:最大拉力:-1200kN 二维球铰模型二维球铰模
23、型,同济大学,同济大学 重庆重庆奥林匹克体育奥林匹克体育中中心体育场心体育场 最大压力:最大压力:-7287kN 最大拉力:最大拉力:2642kN 三维模型三维模型,西南,西南交通大学结交通大学结构工程试验中心构工程试验中心 哈尔滨会展体育中心哈尔滨会展体育中心 最大压力:最大压力:-2348kN 最大拉力:最大拉力:2305kN 三维模型三维模型,同济大学,同济大学 济南奥体中心体育场济南奥体中心体育场 最大压力:最大压力:-301kN 最大拉力:最大拉力:442kN 1:2模型模型 三维三维模型,中国模型,中国建筑科学研建筑科学研究院究院 国内国内针对针对三维相贯节点三维相贯节点或或铸钢节
24、点研究情况铸钢节点研究情况 四四 铸钢铸钢节点试验研究及数值分析节点试验研究及数值分析 项目名称项目名称 最大施加最大施加内力(内力(分拉分拉力、压力)力、压力)KN 模型及模型及试验单位试验单位 模型图片模型图片 南通体育会展中心南通体育会展中心 最大压力:最大压力:500kN(1:4缩尺试验)缩尺试验)单向单向加载加载,东南东南大学大学 神农大剧院神农大剧院 最大压力:最大压力:-8591kN 最大拉力:最大拉力:1429kN 三维三维模型模型,同济大学同济大学 苏州博物馆苏州博物馆 最大压力:最大压力:-268kN 最大拉力:最大拉力:71kN 三维三维模型模型,东南东南大学大学 天津奥
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