大跨度鋼筋混凝土空間曲面板殼結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

熊志偉，遲 春

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610042)

大跨度鋼筋混凝土空間曲面板殼結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

熊志偉，遲 春

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610042)

成都大慈寺文化商業(yè)綜合體項(xiàng)目中酒店一層中庭樓板造型復(fù)雜，為保證建筑功能和美觀要求，采用大跨度鋼筋混凝土空間曲面開(kāi)洞板殼結(jié)構(gòu)形式。樓板設(shè)計(jì)采用細(xì)化彈性有限元線性分析和分層殼單元非線性分析。

大跨度鋼筋混凝土樓蓋； 空間曲面板殼結(jié)構(gòu)； 分層殼單元

建筑設(shè)計(jì)中對(duì)大跨度空間的使用功能和造型要求越來(lái)越高，受建筑空間高度的制約，結(jié)構(gòu)層的高度嚴(yán)重受限。為保證大跨度空間的舒適性、耐久性、美觀性及經(jīng)濟(jì)性，常采用鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種大跨度空間曲面且局部開(kāi)洞的鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性都比較明顯。簡(jiǎn)化計(jì)算已不可行，僅僅進(jìn)行彈性有限元分析也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析更能得到符合實(shí)際情況的結(jié)果，也更能指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

成都大慈寺文化商業(yè)綜合體項(xiàng)目用地位于成都市東風(fēng)路，處于成都市經(jīng)濟(jì)文化中心。該項(xiàng)目由27棟多層鋼結(jié)構(gòu)商業(yè)體及酒店組成。本項(xiàng)目規(guī)劃用地面積為57 147.88 m2，酒店建筑面積為21 122.35 m2。酒店的兩棟建筑詮釋為一棟整體建筑的兩個(gè)相對(duì)對(duì)稱的部分，在平面上以L┓的形式相對(duì)布置。在兩棟建筑之間85.8 m的范圍內(nèi)坐落了現(xiàn)代式錯(cuò)落有致的庭院空間，體現(xiàn)了四川地域特色庭院式建筑(圖1)，延綿的景觀將兩棟建筑在首層及底層連接。酒店配套設(shè)施中的餐廳、宴會(huì)廳、健身房、室內(nèi)游泳池及游戲室均置于橢圓天井的底層，供兩棟建筑共用。中庭一層無(wú)梁樓板中部有多個(gè)開(kāi)口橢圓狀拱體，俯視為梯田形，仰視為采光天井(圖2)。拱體底部大橢圓長(zhǎng)軸約10 m，頂部小橢圓長(zhǎng)軸約5 m，大小橢圓不同心，無(wú)梁樓板最小跨度12 m，其上覆土0.4 m。

為達(dá)到建筑設(shè)計(jì)需要的空間效果，柱網(wǎng)圍合的多個(gè)開(kāi)口橢圓狀拱體范圍采用實(shí)心鋼筋混凝土空間曲面板殼結(jié)構(gòu)，僅在周邊設(shè)置鋼筋混凝土寬扁框架梁。平面呈L形的12 m大跨度鋼筋混凝土空間曲面開(kāi)洞板殼結(jié)構(gòu)的分析及設(shè)計(jì)為本工程的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

圖1 建筑鳥(niǎo)瞰效果

圖2 建筑室內(nèi)效果

2 有限元分析

本工程開(kāi)口橢圓形拱體無(wú)梁樓板采用SAP2000大型通用有限元軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，以了解結(jié)構(gòu)傳力形式、變形形態(tài)，獲取設(shè)計(jì)所需要的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、材料應(yīng)力參數(shù)。

開(kāi)口橢圓狀拱體無(wú)梁樓板厚500 mm，周邊相連普通樓板厚250 mm，采用殼(Shell)-厚殼單元模擬，同時(shí)考慮面內(nèi)面外屬性以及橫向剪切變形。無(wú)梁樓板周邊框架柱采用8節(jié)點(diǎn)混凝土實(shí)體單元模擬，其余框架柱及邊框架梁采用框架線單元模擬，截面取設(shè)計(jì)截面。殼單元全部采用4節(jié)點(diǎn)單元，與框架柱實(shí)體單元連接處加密網(wǎng)格劃分，拱體單元局部坐標(biāo)軸定義為環(huán)向/徑向，其余單元局部坐標(biāo)軸定義為XY向。結(jié)構(gòu)分析模型及變形見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)彈性變形

在1.3D(恒載)+L(活載)的內(nèi)力控制工況下，殼單元內(nèi)力如圖4～圖6所示。由圖可見(jiàn)，由于邊框梁截面高度受限，邊框梁的支座效應(yīng)不明顯，殼體負(fù)彎矩主要集中于框架柱邊，同時(shí)框架柱邊的殼剪力也最大，正彎矩最大值則出現(xiàn)于拱體底部。

圖4 M11殼彎矩

圖5 M22殼彎矩

圖6 殼剪力

從殼單元主應(yīng)力合力方向圖7可見(jiàn)，由于框架柱間橢圓狀拱體的存在，框架柱間的樓板不再是平面板的純彎曲受力形式，隨著樓板局部的抬升，框架柱間形成了拱的受力形式。橢圓狀拱體上部主應(yīng)力為壓應(yīng)力，橢圓狀拱體底部主應(yīng)力為拉應(yīng)力。在殼體截面設(shè)計(jì)時(shí)，這部分拉壓力均應(yīng)與彎矩同時(shí)考慮。

圖7 主應(yīng)力矢量

為考察配筋混凝土殼體的非線性特性，采用了SAP2000提供的非線性分層殼單元進(jìn)行靜載作用下實(shí)配鋼筋的非線性分析。分層殼單元基于復(fù)合材料力學(xué)原理，將一個(gè)殼單元分成若干層(圖8)，每層根據(jù)需要設(shè)置不同厚度和材料。在有限元計(jì)算時(shí)，首先得到殼單元中心層的應(yīng)變和曲率，然后根據(jù)殼單元各層材料在厚度方向滿足平截面假定，由中心層應(yīng)變和曲率得到各鋼筋和混凝土層的應(yīng)變，進(jìn)而由材料本構(gòu)方程得到相應(yīng)的應(yīng)力，積分得到整個(gè)殼單元的內(nèi)力。分層殼單元考慮了面內(nèi)彎曲-面內(nèi)剪切-面外彎曲之間的耦合作用，比較全面地反映了殼體結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)性能。

圖8 分層殼單元示意

由分析結(jié)果得知，殼體頂面和底面的混凝土層局部拉應(yīng)力已達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即已開(kāi)裂，而壓應(yīng)力均未達(dá)混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即未壓潰(圖9)；鋼筋層應(yīng)力均未達(dá)到抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即仍處于彈性工作狀態(tài)(圖10)；殼體撓度為線性有限元分析結(jié)果的3～4倍，仍滿足相關(guān)規(guī)范要求(圖11)。

圖9 殼底混凝土應(yīng)力

圖10 殼底鋼筋應(yīng)力

圖11 結(jié)構(gòu)非線性變形

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于橢圓狀拱體的存在，給鋼筋排布帶來(lái)不小困難。綜合考慮受力及現(xiàn)場(chǎng)施工因素，最終采用了如下布筋方案(圖12～圖14)：鋼筋除拱體以外按正交布置，拱體按徑向、環(huán)向布筋，徑向鋼筋從拱體中心向拱底發(fā)射狀布置，并分段加筋，保證拱頂洞口與拱底徑向鋼筋間距相同；拱頂洞口與拱底均為復(fù)雜應(yīng)力區(qū)，設(shè)置環(huán)形暗梁。

圖12 殼頂鋼筋布置

圖13 殼底鋼筋布置

圖14 拱體剖面鋼筋布置

有限元分析得知，框架柱邊的殼剪力較為集中，剪力值已超過(guò)殼截面素混凝土的抗剪承載力。為提高殼截面抗剪承載力，在柱邊板內(nèi)設(shè)置了箍筋及彎起鋼筋，在梁端板內(nèi)設(shè)置了拉接筋及彎起鋼筋(圖15～圖16)。

圖15 梁端抗剪筋布置

圖16 柱端抗剪筋布置

4 結(jié)論

成都大慈寺文化商業(yè)綜合體項(xiàng)目酒店一層中庭造型復(fù)雜，采用大跨度鋼筋混凝土空間曲面板殼結(jié)構(gòu)形式很好的滿足了建筑設(shè)計(jì)對(duì)功能和美觀的要求。運(yùn)用細(xì)化彈性有限元分析掌握了結(jié)構(gòu)傳力形式、變形形態(tài)，獲取了設(shè)計(jì)所需要的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、材料應(yīng)力參數(shù)。用分層殼單元進(jìn)行非線性分析進(jìn)一步揭示了結(jié)構(gòu)的塑性性能。有限元分析對(duì)指導(dǎo)該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

熊志偉(1979～)，男，碩士研究生，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。

TU378.8

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[定稿日期]2014-08-27