大跨度鋼筋混凝土空間曲面板殼結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計

熊志偉，遲 春

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，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

熊志偉，遲 春

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610042)

成都大慈寺文化商業(yè)綜合體項目中酒店一層中庭樓板造型復雜，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洞板殼結(jié)構(gòu)形式。樓板設(shè)計采用細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)計中對大跨度空間的使用功能和造型要求越來越高，受建筑空間高度的制約，結(jié)構(gòu)層的高度嚴重受限。為保證大跨度空間的舒適性、耐久性、美觀性及經(jīng)濟性，常采用鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)。對于這種大跨度空間曲面且局部開洞的鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性都比較明顯。簡化計算已不可行，僅僅進行彈性有限元分析也遠遠不夠，所以對結(jié)構(gòu)進行非線性有限元分析更能得到符合實際情況的結(jié)果，也更能指導設(shè)計。

1 工程概況

成都大慈寺文化商業(yè)綜合體項目用地位于成都市東風路，處于成都市經(jīng)濟文化中心。該項目由27棟多層鋼結(jié)構(gòu)商業(yè)體及酒店組成。本項目規(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相對對稱的部分，在平面上以L┓的形式相對布置。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。中庭一層無梁樓板中部有多個開口橢圓狀拱體，俯視為梯田形，仰視為采光天井(圖2)。拱體底部大橢圓長軸約10 m，頂部小橢圓長軸約5 m，大小橢圓不同心，無梁樓板最小跨度12 m，其上覆土0.4 m。

為達到建筑設(shè)計需要的空間效果，柱網(wǎng)圍合的多個開口橢圓狀拱體范圍采用實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洞板殼結(jié)構(gòu)的分析及設(shè)計為本工程的關(guān)鍵和難點。

圖1 建筑鳥瞰效果

圖2 建筑室內(nèi)效果

2 有限元分析

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

開口橢圓狀拱體無梁樓板厚500 mm，周邊相連普通樓板厚250 mm，采用殼(Shell)-厚殼單元模擬，同時考慮面內(nèi)面外屬性以及橫向剪切變形。無梁樓板周邊框架柱采用8節(jié)點混凝土實體單元模擬，其余框架柱及邊框架梁采用框架線單元模擬，截面取設(shè)計截面。殼單元全部采用4節(jié)點單元，與框架柱實體單元連接處加密網(wǎng)格劃分，拱體單元局部坐標軸定義為環(huán)向/徑向，其余單元局部坐標軸定義為XY向。結(jié)構(gòu)分析模型及變形見圖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，由于邊框梁截面高度受限，邊框梁的支座效應(yīng)不明顯，殼體負彎矩主要集中于框架柱邊，同時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，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)計時，這部分拉壓力均應(yīng)與彎矩同時考慮。

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行靜載作用下實配鋼筋的非線性分析。分層殼單元基于復合材料力學原理，將一個殼單元分成若干層(圖8)，每層根據(jù)需要設(shè)置不同厚度和材料。在有限元計算時，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，進而由材料本構(gòu)方程得到相應(yīng)的應(yīng)力，積分得到整個殼單元的內(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)力已達到混凝土抗拉強度標準值，即已開裂，而壓應(yīng)力均未達混凝土抗壓強度標準值，即未壓潰(圖9)；鋼筋層應(yīng)力均未達到抗拉強度標準值，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

由于橢圓狀拱體的存在，給鋼筋排布帶來不小困難。綜合考慮受力及現(xiàn)場施工因素，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)綜合體項目酒店一層中庭造型復雜，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)計對功能和美觀的要求。運用細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)。用分層殼單元進行非線性分析進一步揭示了結(jié)構(gòu)的塑性性能。有限元分析對指導該類結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

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

TU378.8

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[定稿日期]2014-08-27