圆形钢拱结构的设计分析.docx
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圆形钢拱结构的设计分析
圆形钢拱结构的设计分析
摘要:
洪湖乌林国际度假村温泉馆建筑外形为半椭球形。
椭球投影平面长轴长102m,短轴长50m,矢高20m。
该工程由16榀∏-O组合截面的圆形钢拱组成。
通过兼做刚性系杆的次梁及交叉钢拉杆支撑形成完整的结构体系。
为了释放纵向的温度应力,在中间的次梁用长圆孔进行连接。
通过结构的静力计算及地震作用计算,整体结构满足要求。
为了保证拱结构的安全,对该结构进行了线性及非线性屈曲分析。
关键词:
温泉馆;半椭球形;∏-O组合截面;圆形钢拱;设计;屈曲分析
1结构概况
洪湖乌林国际度假村坐落在湖北省洪湖市乌林镇,温泉馆被誉为湖北的“水立方”,其造型优美,与周围环境建筑很好地融合在一起(图1)。
图1温泉馆实景
温泉馆建筑外形为半椭球形,平面投影建筑面积为4005.4m2;椭球平面长轴长102m,短轴长50m,矢高20m,短轴剖面为圆弧。
椭球面方程为:
(1)
式中:
x为长轴方向;y为短轴方向;z为高度方向。
该工程由16榀∏-O组合截面圆形钢拱组成,共有3种∏-O组合截面,如图2所示。
为了更好地模拟计算假定所采用的铰接支座,圆拱支座采用成品固定铰接支座。
该工程的外围护结构为玻璃幕墙,幕墙玻璃采用(8+1.52+8)mm钢化夹胶Low-E玻璃,将安全性和节能环保很好地结合了起来。
为了温泉馆的通风和排气,在顶部设置了1.5m高的天窗。
各个圆拱之间采用矩形钢管连接,矩形钢管既作为玻璃幕墙的骨架,也作为整体结构的刚性系杆。
矩形钢管截面规格有□250×150×8×8和□250×250×10×10两种。
整体结构设置4道交叉钢拉杆,与刚性系杆组成完整的结构体系。
结构的布置见图3,每种组合截面最大跨度的钢拱立面见图4。
结构整体为椭球形,根据文献[1]的研究结果,在温度作用下,有明显的薄膜应力效应。
为了释放纵向的温度应力,在
、
轴线的矩形钢管次梁用长圆孔进行连接。
这样就将整体钢结构一分为二,
、
轴线作为整体结构的伸缩缝,因此,取1/2结构进行计算分析即可。
a-组合截面1;b-组合截面2;c-组合截面3
图2组合截面示意
a-平面;b-三维轴测
1-圆拱;2-系杆;3-钢拉杆支撑
图3结构布置示意
a-
轴线;b-
轴线;c-
轴线
1-组合截面1;2-组合截面2;3-组合截面3
图4钢拱立面
2设计荷载
1)该地区50年一遇的基本风压值为0.35kN/m2,地面粗糙度为B类,风荷载共取了8个不同方向角(0°~180°均分)的工况。
2)屋面荷载。
恒载取0.8kN/m2,结构自重由软件自动计算;活载取0.5kN/m2,考虑半跨活荷载不利布置。
3)温度作用。
温差±30℃,考虑合龙温度15℃。
4)地震作用。
抗震设防烈度为6度,设计地震加速度为0.05g,场地类别为II类,设计地震分组为第一组。
3结构整体分析
3.1结构静力计算
结构计算采用大型通用有限元软件SAP2000,同时采用同济大学的钢结构设计软件3D3S进行校核。
计算分析时采用1/2整体结构模型进行计算。
通过计算分析,结构整体应力比水平较低,最大应力比不大于0.8,主钢架的应力比控制在0.6以下。
整体结构满足GB50017-2003《钢结构设计规范》的要求,有一定的安全储备,同时具有较好的经济性。
、
轴线刚架跨度最大,主要取此榀刚架进行挠度验算。
在荷载标准组合下,刚架的最大挠度值为47.8mm。
小于GB50017-2003《钢结构设计规范》[2]的限制值L/400=122mm,满足要求。
3.2结构自振特性及地震作用计算
通过对1/2整体结构模型进行振型分析,得到结构的自振周期及频率见表1,结构前6阶振型见图5。
从前6阶振型可以看出,整体结构的自振特性基本是以各榀圆拱结构各自的动力特性表现为主,并没有表现出整体的振动形态。
表1结构周期、频率
振型周期/s频率/Hz10.8288741.206520.7913491.263730.7523211.329240.5732221.744550.3486492.868260.3221153.1045
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