天津大剧院吊挂结构抗连续倒塌分析.docx
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天津大剧院吊挂结构抗连续倒塌分析
天津大剧院吊挂结构抗连续倒塌分析
丁阳,孙健
(1天津大学建筑工程学院,天津300072;2天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津300072)
摘要天津大剧院采用了国内外应用不多的吊挂结构体系。
以天津大剧院的吊挂结构为工程背景,对其进行抗连续倒塌性能分析。
根据吊杆负荷面积,采用基于能量的方法,计算吊杆的重要性系数,确定关键吊杆。
对单根关键吊杆失效和两根关键吊杆同时失效的情况,采用静力非线性方法对剩余结构进行响应分析。
结果表明,单根吊杆失效时,吊挂结构不会发生坍塌;标高+20.9m吊挂层转角区域两根吊杆同时失效时,吊挂结构发生局部坍塌,
使用过程中应注意该区域吊杆的监测。
关键词天津大剧院;吊挂结构;移除构件法;连续倒塌
1工程概况
天津大剧院(图1)是天津文化中心的建筑之一,也是天津市地标建筑,总建筑面积10.18万m2。
由综艺剧场、音乐厅和小剧场3部分组成。
为满足大剧院使用功能的要求,位于15.9m和20.9m标高处的音乐厅和小剧场采用了国内外应用不多的吊挂结构体系。
大剧院屋盖结构由28榀纵向桁架、50榀横向桁架及桁架间连梁、支撑组成,如图2所示。
15.9m和20.9m标高处吊挂楼层荷载通过吊杆传至屋架桁架下弦,不再是传统意义的柱支承梁的结构体系。
吊挂结构钢梁的布置示意见图3,钢梁均采用Q345B焊接工字钢,162根吊杆采用80mm和100mm两种直径,吊杆材料屈服应力为460MPa。
天津大剧院吊挂结构中吊杆至关重要,一旦失效,可能导致结构发生局部坍塌,甚至连续性倒塌,对于大剧院这类人流密集的公共建筑,将会造成严重的人员伤亡和极其负面的社会影响。
因此对天津大剧院吊挂结构进行抗连续倒塌分析、评估其抗连续倒塌性能具有十分重要的意义。
2连续倒塌分析方法
经过国内外学者数十年的研究,结构连续倒塌的分析方法已相对成熟,本文采用目前应用最广泛的移除构件法。
为考虑构件破坏后对剩余结构引起的动力效应,在静力非线性分析中,根据GSA2003[1]和UFC4-023-03[2]的建议,荷载动力系数取为2。
2.1连续倒塌评定准则
对结构进行连续倒塌分析,首先要确定连续倒塌的评定标准。
连续倒塌不同于结构破坏,结构破坏更多是针对构件层次,而连续倒塌的对象至少是一个区域的子结构。
目前判断结构发生连续倒塌可参照UFC4-023-03和英国规范[3]中的规定:
移除边缘竖向受力构件时,结构的破坏范围不应大于楼层总面积的15%或70㎡两者中的较小值;移除内部竖向受力构件时,结构破坏的总面积不应大于楼层总面积30%或140㎡两者中较小值。
目前判断构件失效通常采用承载力和变形两种失效准则,由于钢结构构件延性较好,达到承载力极限状态后还能继续承载,故采用变形失效准则更为合理。
天津大剧院吊挂结构主要由吊杆和钢梁组成,根据GSA2003规定,当受拉构件延性系数μ达到10时,可认为构件发生破坏;受弯构件出现以下任一情况,认为该构件破坏:
1)某截面所受剪力达到抗剪极限承载力;2)跨中或端部截面所受弯矩达到受弯极限承载力时,该部位形成塑性铰,根据塑性铰的转角判定其是否破坏。
根据上述规定,天津大剧院吊杆的轴向变形限值为112mm,钢梁转角限值为6°。
2.2构件重要性评价
目前,国外抗连续倒塌设计规范仅对框架结构的关键构件位置作了详细说明,对于非框架结构,需要设计者通过分析对构件重要性做出评价而确定。
根据国内外相关研究成果,构件重要性评价的方法很多,主要有基于刚度、能量和强度的判断方法等[4]。
实际工程结构形式往往比较复杂,一些理论方法需要根据实际情况改进后才能适用。
天津大剧院吊挂结构构件类型(吊杆、钢梁)相对较少,但数量较多,且布置复杂,如果采用逐一移除构件的方法计算各构件重要性系数,工作量巨大。
考虑吊杆负荷面积对其重要性有较大影响,因此按照实际荷载作用计算得到吊杆应力,最大为230MPa,选出应力大于150MPa的32根吊杆,根据文献[5]给出的基于能量的方法,计算所选吊杆的重要性系数。
构件重要性评定指标定义为[5]:
I=1-U/U'
式中:
U为初始完整结构的变形能;U'为构件拆除后剩余结构的变形能;I为0~1之间的一个常数指标,当I=0时,表示该构件在结构系统的传力路径中没有贡献,而当I=1时,则表示该构件极其重要,一旦失效,结构将无法抵抗给定荷载。
根据式
(1)计算得到的吊杆重要性系数列于表1,选出重要性系数相对较大的ZD-1,ZD-2和ZH-1(表中加粗字体)吊杆,分别对其移除后剩余结构的响应进行分析。
3结构抗连续倒塌分析
3.1有限元模型
应用有限元软件ANSYS建立大剧院吊挂结构与屋盖钢桁架结构的整体有限元模型,以考虑钢桁架对吊挂结构的弹性支承作用。
有限元模型中吊挂结构中的钢梁和屋盖桁架弦杆采用Beam188单元,屋盖桁架腹杆、刚性系杆、支撑和吊杆均采用Link8单元。
吊挂结构楼面采用压型钢板上铺钢筋混凝土,为了提高计算效率,不考虑楼板刚度作用,将楼面均布荷载转化为作用于钢梁的线荷载。
3.2荷载组合
GSA2003给出了采用静力分析法的荷载组合:
Load=2(D+0.5L)
(2)
式中:
D为恒荷载;L为活荷载。
式
(2)考虑了两方面因素:
一是去除竖向承重构件时,局部结构会产生瞬时的动力效应,因此乘以系数2;二是偶然荷载属于小概率事件,需要对活荷载进行折减。
3.3单根吊杆失效结构响应分析
采用静力非线性分析方法时,首先模拟结构初始静力状态,在初始静力状态基础上吊杆失效,移除失效吊杆,分析剩余结构的响应。
每阶段分析过程中,根据2.1节构件破坏标准判断是否有构件发生破坏,若有构件发生破坏,则删除破坏构件,并进入下一阶段分析[6-9]。
(1)假设吊杆ZD-1失效。
吊杆ZD-1失效后(图4中的ZD-1'),剩余结构的变形如图4所示。
由图可知,ZD-1'周围局部结构的最大变形为179mm,超过结构正常使用状态的变形限值42mm,结构正常使用功能受到影响。
各吊杆轴向变形均未达到限值,不会发生破坏,表2给出了相邻两根吊杆的变形值;如表3所示,与吊杆ZD-2邻近的钢梁LD-1~LD-4均出现塑性铰,其中LD-1,LD-3钢梁端塑性铰转角最大,为2.1°(表3);梁截面最大剪力位于LD-1的端截面处,为141.2kN(表4),未达到抗剪极限承载力。
因此吊杆ZD-1失效后结构不会发生连续倒塌。
(2)假设吊杆ZD-2失效。
吊杆ZD-2失效后(ZD-2'),剩余结构变形如图5所示。
由图可知,ZD-2'周围局部结构的最大位移为308mm,超过结构正常使用状态的变形限值42mm,结构失去正常使用功能;吊杆ZD-3的应力最大,为347MPa;各吊杆轴向变形均未达到限值,不会发生破坏,表5给出了ZD-2相邻3根吊杆的变形值;与吊杆ZD-3周围相邻的LD-1,LD-3和LD-5等钢梁端部截面弯矩均达到了抗弯极限承载力,形成塑性铰,其中LD-1和LD-3的梁端转角最大,为3.8°(表6);根据表7,钢梁截面最大剪力均小于抗剪极限承载力,不会发生剪切破坏。
因此吊杆ZD-2失效后结构不会发生连续倒塌。
(3)假设吊杆ZH-1失效。
吊杆ZH-1失效后,剩余结构的变形如图6所示。
由图可知,ZH-1周围的局部结构最大位移为435mm,超过结构正常使用状态的变形限值42mm;各吊杆轴向变形均未达到限值,不会发生破坏,表8给出了3根代表吊杆的变形值。
另外,经计算得吊杆ZH-2的应力最大,为500MPa,超过吊杆屈服强度460MPa,进入塑性,其轴向变形为51mm,未达到破坏限值;根据表9,在与吊杆ZH-1邻近的各梁端部形成的塑性铰中,转角最大为2.5°。
根据表10,梁截面最大剪力为615.3kN,未达到梁抗剪极限承载力。
吊杆ZH-1失效后结构不会发生连续倒塌。
根据上述分析可知,1根吊杆失效后结构不会发生连续破坏,结构具有良好的抗连续倒塌性能。
根据表11,重要性系数越大的吊杆,其失效对结构的响应越显著。
此外,通过对不同位置吊杆ZD-1,ZD-2,ZH-1失效后的结构响应进行分析,发现内部吊杆的失效对结构的影响较边缘吊杆失效的影响小,说明了内部吊杆具有更好的传力替代路径。
3.4两根吊杆同时失效结构响应分析
位于标高20.9m吊挂层转角区域的吊杆ZD-1,ZD-2,ZD-3和ZD-4的重要性系数均相对较大,需考虑发生两根吊杆同时失效时的情况。
假设吊杆ZD-1和ZD-2同时失效,结构变形如图7所示。
由图可知,吊杆ZD-1和ZD-2同时失效后,局部区域出现了较大的位移,达到1277mm,该局部结构丧失使用功能。
此外,吊杆ZD-3的内力出现大幅增加,达到2300kN,应力达到457MPa,接近吊杆的屈服强度460MPa,伸长量为11mm,不会发生破坏;其余吊杆(表12)变形量均小于ZD-3的变形量,故所有吊杆均不会发生破坏。
钢梁LD-5的剪力最大,为731.4kN,抗剪极限承载力为1069.5kN,因此LD-5不会发生剪切破坏;其余钢梁(表13)均不会发生剪切破坏。
吊杆ZD-1和ZD-2同时失效后钢梁LD-4,LD-5形成了悬臂梁,其根部塑性铰转角分别达到8.2°和6.1°(表14),均超过限值6.0°,可以判定梁LD-4,LD-5的端部截面发生弯曲破坏。
由于钢梁LD-4,LD-5端部发生弯曲破坏,即认为其端部截面失去抗弯及抗剪承载能力,在模型中
删除该位置所对应的单元,对剩余结构响应进行分析。
结构响应如图8所示。
由图可知,标高20.9m吊挂层转角区域发生较大位移,达到2905mm,结构丧失承载能力。
由于吊杆延性相对较好,不易发生破坏,ZD-4内力最大,轴向变形为21mm,未达到破坏限值,3根代表性吊杆的变形见表15。
吊杆ZD-3邻近位置的钢梁LD-6,LD-9,LD-10剪力较大(表16)。
LD-1,LD-3最大剪力分别为272.4kN和245.8kN,抗剪极限承载力值均为202.4kN;LD-9,LD-10最大剪力分别为799.3kN和661.9kN,抗剪极限承载力值均为631.8kN,可见LD-1,LD-3,LD-9,LD-10将发生剪切破坏,其余钢梁不会发生剪切破坏。
标高20.9m吊挂结构的转角区域形成了局部悬挑结构,3根悬挑钢梁根部截面弯矩均较大形成塑性铰(表17),最大塑性铰转角为11.4°,3根钢梁均发生弯曲破坏,由此可以判断该区域发生坍塌。
4结论
(1)重要性系数越大的吊杆,移除后对剩余结构的响应影响越大;内部吊杆失效对结构的影响较边缘吊杆失效的影响小,表明内部吊杆具有更好的荷载替代路径。
(2)吊挂结构冗余度较大,1根吊杆失效后,结构不会发生进一步的连续倒塌。
(3)标高20.9m吊挂层转角区域两根吊杆同时失效时,导致较大范围结构的坍塌。
在结构使用过程中需重点监测该区域的吊杆,防止该区域出现相邻两根或两根以上吊杆同时失效的情况。
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