内蒙古美术馆复杂结构设计交流.pdf

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

25、林匹克中心天津奥林匹克中心 最大压力：最大压力：-898kN 最大拉力：最大拉力：352kN 平面平面加载加载，天津大学天津大学 上海浦东机场二期工上海浦东机场二期工程航站楼程航站楼 最大压力：最大压力：-2880kN 三维三维模型模型，同济大学同济大学 贵阳奥体中心贵阳奥体中心 最大压力：最大压力：-3820kN3820kN 最大拉力：最大拉力：980kN980kN 三维三维相贯相贯模型模型，北京工业大学北京工业大学 河南艺术中心河南艺术中心 最大压力：最大压力：-1440kN1440kN 最大拉力：最大拉力：1440kN1440kN 三维三维相贯相贯模型模型，北京工业大学北京工业大学 天津

26、空客天津空客A320A320工程后工程后装机库装机库 最大压力：最大压力：-2000kN2000kN 最大拉力：最大拉力：1000kN1000kN 三维模型三维模型，强度螺栓板节点进强度螺栓板节点进行了行了1:31:3缩尺模型试验缩尺模型试验天津大学天津大学 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 2、铸钢节点（足尺试验）1、连接屈曲约束支撑和吊杆关键构件的节点，一共16组，2、多杆连接的节点（10根杆），相贯焊接无法满足要求，数值分析及试验研究 3、满足“强节点弱构件，三向大震作用下不屈服”单杆压力800吨，拉力500吨 四四 铸钢铸钢节点试验研究及数值分析节点试验研究及

27、数值分析 1616组铸钢节点组铸钢节点 ZG11ZG11 ZG22ZG22 3 3、铸钢节点理论数值分析铸钢节点理论数值分析 首先大震不屈服荷载作用下的数值分析，采用有限元软件ANSYS进行分析，选取实体单元Solid185，单元网格采用自由划分。有限元模型采用多线性随动强化和von Mises屈服准则。铸钢材性参照铸钢节点应用技术规程，取fy=300MPa，fu=500MPa，E=2.06X105MPa，弹性模量E取2.05X105，泊松比取0.3。数值分析的内力均取自midas模型，有限元模型的固定端与试验固定端一致。在节点ZG11、ZG22有限元模型中，对杆端施加固定约束，其余杆件端部施

28、加等效压强，施加约束和荷载的有限元模型；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 3 3、铸钢节点理论数值分析铸钢节点理论数值分析（ZG11ZG11）分析结果1.0倍设计荷载 分析结果1.3倍设计荷载 极限荷载（1.8倍）VonMises应力云图（受压最不利）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 3 3、铸钢节点理论数值分析铸钢节点理论数值分析（ZG22ZG22）分析结果1.0倍设计荷载 分析结果1.3倍设计荷载 极限荷载（1.8倍）VonMisesVonMises应力云图应力云图（受拉受拉最不利）最不利）四四 铸钢铸钢节点试验研究及数值分析节点试验研究

29、及数值分析 加载装置应真实反映空间受力状态，与同济大学合作在宝冶试验室的自平衡反力架静力加载系统。铸钢件的材性试验应满足设计要求，并确定最不利杆件内力组合。考虑经济与安全综合效应，大承载力铸钢节点试验方案应采用足尺试件并进行检验性试验，试验荷载不小于荷载设计值的1.3倍，同一类型试件不少于两件。提出合适的铸钢节点试验加载方法：包括三维平衡控制荷载、约束条件、大承载力实验设备、加载等级与测点布置、原则及数量、连接件的加强措施等等，通过监测各个杆件试验数据绘制荷载位移曲线，并观察薄弱部位试验现象、研究节点的塑性发展区域。4 4、铸钢节点铸钢节点试验研究试验研究 四四 铸钢铸钢节点试验研究及数值分析

30、节点试验研究及数值分析 4、铸钢节点试验研究 （800800吨吨/500500吨吨足尺，检验性试验）足尺，检验性试验）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 4 4、铸钢节点铸钢节点试验研究试验研究 加载装置：球形反力架内部净空直径为6m，最大承载力为3000 吨，反力架的三维模型图和现场照片,其中，1号杆件为固定端；4号杆、5号杆、7号杆、8号杆、9号杆为受压杆，压力通过千斤顶直接加载；2号杆、3号杆为受拉杆，拉力通过张拉工装系统进行施加；6号杆由于受力很小，故未施加荷载，处理为自由端。（a）固定端支座 （b）受拉杆的张拉工装 （c）受压杆的支座 （d）试件安装完成后全貌

31、 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 4 4、铸钢节点铸钢节点试验研究试验研究 试验荷载：试验荷载：节点力调整的原则是：（1）使1号杆的最大荷载达到设计荷载的1.3倍倍；（2）其余各杆的荷载绝对值均不小于GLCB55工况下的内力设计值的1.3倍倍；（3）忽略弯矩和剪力，各杆均施加轴力。经过平衡后得到实际施加的最终荷载值如表:加载制度：加载制度：采用了分级加载的方法施加荷载分级加载的方法施加荷载，荷载总共分为26级。4 号杆、7 号杆、9号杆的荷载通过1号油泵进行同步加载；5 号杆和8号杆通过2号油泵进行同步加载；2号杆采用3号油泵加载；3号杆采用4号油泵加载。每级荷载稳

32、定2分钟后读取应变片、位移计的读数，直至加载破坏或达到最大加载力直至加载破坏或达到最大加载力，此时稳定此时稳定3分钟后卸载分钟后卸载。杆件号 GLCB55 设计值 1.3 倍设计值 试验荷载 1-8549.4-11114.22-10950 2-1460.2-1898.26 4000 3-1277.3-1660.49 4100 4-291.3.378.69 550 5-3029.2-3937.96 5610 6-66.1-85.93 0 7-409.8-532.74 550 8-1994.0-2592.2 2850 9-659.8-857.74 880 四四 铸钢铸钢节点试验研究及数值分析节点试

33、验研究及数值分析 试验结果：在第26级，即荷载达到1.3倍设计荷载时，节点无明显变形，节点未达到极限承载力，仍可安全的继续承载；节点域塑性区域的最大应变为-1370；1号杆的最大应变为-1408，1号杆处于弹性状态，根据应变反推得到的1号杆的最大轴力为10607.49kN。卸载后观察试件发现，节点域未发生明显变形，各根杆件也均未发生明显变形。给出了卸载后的部分照片。4 4、铸钢节点铸钢节点试验研究（试验研究（ZG11)ZG11)卸载后的整体照片 节点域局部无明显变形 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 N应变=EA，其中E为钢材的弹性模量，取2.10105MPa；A 为

34、1号杆的名义截面面积，A=56500mm2；为平均应变，即根据1 号杆上读数正常的7个应变得到的平均值。从图看出，1号杆的轴力随着荷载级数的增加基本呈线性增长，轴力在第26级达到最大值10607.49kN；相当于设计荷载的1.24 倍；轴力在第28级达到最大11440.93kN；相当于设计荷载的1.34倍。4、铸钢节点试验研究（ZG11)节点中心荷载级数-位移曲线 1号杆荷载级数-应变曲线 1号杆荷载级数-轴力曲线（a）节点域应变花位置 （b）节点中心应变花荷载级数-应变曲线 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 5、铸钢节点试验研究(ZG22)节点的安装三维模型、现场安

35、装照片如图所示。11号杆件为固定端；1号杆、13号杆为受压杆，压力通过千斤顶直接加载；4 号杆、5号杆、6号杆、7号杆为受拉杆，拉力通过张拉工装系统进行施加；2 号杆、3号杆、8号杆、9号杆、10号杆、12号杆由于受力很小，未施加荷载，处理为自由端。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 当荷载达到30级时，试件仍然未出现明显的变形，也未发出任何明显响声。所有杆件的平均应变均小于屈服应变，所有杆件仍处于弹性范围内。节点域的应力集中区域的应变继续增大，最大值达到了约1337，仍处于弹性阶段。节点中心的最大水平位移达到14.397mm；其余杆件上的各相对位移均在13mm 范围之

36、内。此时通过应变计算出1 号杆轴力已经达到1.3 倍设计荷载，于是接下来开始卸载，在大约3 分钟内，荷载缓慢卸至零。卸载后观察试件发现，节点域未发生明显变形，各根杆件也均未发生明显变形。5、铸钢节点试验研究(ZG22)卸载后的整体照片 节点域局部无明显变形 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 下图给出了11号杆的荷载级数-轴力曲线，即根据11号杆上的4 个应变得到的平均值。可以看出，11号杆的轴力随着荷载级数的增加基本呈线性增长，轴力在第26 级达到最大值7624.33kN；相当于设计荷载的1.52 倍。图给出了节点域应力集中部位的应变随着荷载级数的变化曲线，应变花的位

37、置如图所示，其中图4.6.24(a)为11号杆与13号杆连接处，横轴为应变花的3个应变读数，纵轴为荷载级数。在第1级第26级荷载时，应变基本呈线性增长，所有应变花读数均未超过1000，表明节点域仍处于弹性阶段。5、铸钢节点试验研究(ZG22)（a）节点域应变花位置 （b）节点中心应变花荷载级数-应变曲线 节点中心荷载级数-位移曲线 11号杆荷载级数-应变曲线 11号杆荷载级数-轴力曲线 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 材性试验：完成ZG1和ZG22等2种铸钢节点的足尺试验，每个节点共设计了2个相同的试件。另外，在节点试验完成后，还分别从杆件和铸钢节点区域取样，进行了

38、材性试验。铸钢的牌号为G20Mn5（调质 QT），杆件的材料牌号为 Q345C。本文分别从杆件和铸钢节点区域取样，进行了材性试验。6 6、铸钢节点铸钢节点试验研究试验研究 试件编号 伸长率5 断面收缩率 E f y fu 屈强比 ZG-CX1 29.80%44.23%206140 312.85 470.21 0.665 ZG-CX2 28.48%50.84%207091 322.54 470.69 0.685 ZG-CX3 26.76%47.92%204123 304.95 460.73 0.662 平均值 28.35%47.66%205784 313.45 467.21 0.671 铸钢材性

39、数据 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 6、试验总结：在 1.0 倍设计荷载和1.3倍设计荷载作用下，节点ZG11、ZG22 的杆件均处于弹性阶段，仅在每个节点中心区域的杆件交汇处存在应力集中，塑性区域很小；节点杆件的轴向变形和杆件之间的相对变形均很小；节点的极限荷载均达到了荷载设计值的 1.7 倍以上。因此ZG11、ZG22均可以在 1.3 倍荷载设计值下安全承载，满足规范要求。在试验荷载作用下，节点 ZG11、ZG22杆件均处于弹性工作阶段，仅在局部应力集中区域进入塑性，有限元模型和试验结果相符；节点刚度很大，空间位移很小。节点较为安全，可继续承载。节点ZG11、

40、ZG22在试验荷载下的有限元模拟结果与试验结果吻合度较高。有限元计算结果中三个节点的应力集中区和塑性区域和试验结果相符；由于实际试验中存在不可避免的不平衡弯矩，且由于装置之间存在空隙，有限元计算结果中节点中心相对于固定端的位移均小于试验结果。数值分析和试验结果表明，铸钢节点满足大震不屈服的性能设计要求，在内蒙古美术馆项目可以应用。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 7 7、大承载力三维相贯铸钢节点设计大承载力三维相贯铸钢节点设计全全过程总结：过程总结：1.11.1、节点设计、节点设计基本原则基本原则:“:“强节点弱构件，节点不先于构件破坏强节点弱构件，节点不先于构件破坏

41、”1.21.2、构型原则：构型原则：构造应尽量简单，传力路径合理；构造应尽量简单，传力路径合理；选取合适材性满足节点与构件连接承载力等强选取合适材性满足节点与构件连接承载力等强焊接焊接要求要求；满足铸造工艺的要求；满足铸造工艺的要求；满足焊接工艺要求：满足焊接工艺要求：满足施工构造要求；满足施工构造要求；1.31.3、理论数值分析原则：理论数值分析原则：有限元建模计算：采用合适单元，进行网格精确划分；有限元建模计算：采用合适单元，进行网格精确划分；基本参数：确定本构关系、强度屈服准则，确定最不利内力基本参数：确定本构关系、强度屈服准则，确定最不利内力组合组合 施加施加1.01.0倍设计荷载研究

42、应力、应变分布规律；倍设计荷载研究应力、应变分布规律；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 施加1.3倍设计荷载研究应力、应变分布规律；施加极限设计荷载研究应力、应变分布规律；（如果做节点试验，不需要满足弹塑性极限承载力是弹性设计荷载承载力3倍安全度系数要求）1.41.4、节点试验原则：加载方案：加载系统设计：测点仪器及布置 加载制度及方式；加载结果校核 补充铸钢钢材及杆件的材性试验，来验证钢材性能；补充试验荷载作用下的数值分析计算，验证铸钢节点试验结果的正确性及有效性；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 注：压力承载力介于注：压力承载力介于300

43、与与800吨之间，拉力承载力介于吨之间，拉力承载力介于200与与500吨之间，根据节点重要情况及极限承载力能力确定；吨之间，根据节点重要情况及极限承载力能力确定；设计原则设计原则 大承载力铸钢节点大承载力铸钢节点 （压力大于（压力大于800800吨）吨）（拉力大于（拉力大于500500吨）吨）小承载力铸钢节点小承载力铸钢节点 （压力小于（压力小于300300吨）吨）（拉力小于（拉力小于200200吨）吨）基本原则、构型原则基本原则、构型原则 一致一致 理论数值分析原则理论数值分析原则 计算计算1.31.3倍设计荷载倍设计荷载 不计算不计算1.31.3倍设计荷载倍设计荷载 有限元计算不容易满足弹

44、塑性极限承载力是有限元计算不容易满足弹塑性极限承载力是弹性承载力弹性承载力3 3倍安全度，必须做节点试验倍安全度，必须做节点试验 相对有限元计算容易满足弹塑性极限承载力相对有限元计算容易满足弹塑性极限承载力是弹性承载力是弹性承载力3 3倍安全度要求，可以不做节倍安全度要求，可以不做节点试验点试验 管壁较厚，节点域构造复杂，铸钢材性与理管壁较厚，节点域构造复杂，铸钢材性与理论值相比不确定性更大论值相比不确定性更大 管壁薄，节点域相对构造简单，铸钢材性与管壁薄，节点域相对构造简单，铸钢材性与理论值相对一致理论值相对一致 其余一致其余一致 节点试验节点试验 原则原则 需要检验性铸钢节点试验需要检验性

45、铸钢节点试验：检验荷载不小于设计荷载的检验荷载不小于设计荷载的1.31.3倍；倍；需要做破坏性试验：试验荷载确定的铸钢节需要做破坏性试验：试验荷载确定的铸钢节点承载力设计值不小于破坏承载力的点承载力设计值不小于破坏承载力的1/21/2 初始缺陷、加载不均衡引起的不平衡弯矩对初始缺陷、加载不均衡引起的不平衡弯矩对试验结果影响较大试验结果影响较大 可忽略不平衡弯矩可忽略不平衡弯矩 因杆件承载力较高，特殊重视受压、受拉的因杆件承载力较高，特殊重视受压、受拉的杆件千斤顶张拉工装系统设计；杆件千斤顶张拉工装系统设计；对连接件及端部支座要采取加强措施；对连接件及端部支座要采取加强措施；无特殊要求无特殊要求

46、 过程：弹性过程：弹性屈服屈服 关注节点屈服机理分析关注节点屈服机理分析 过程：弹性过程：弹性屈服屈服塑性变形塑性变形破坏破坏 关注塑性变形及破坏机理分析关注塑性变形及破坏机理分析 其余一致其余一致 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 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 主体施工照片主体施工照片 五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 铸钢节点：冬季施工要采取措施

47、，进行焊接工艺评定铸钢节点：冬季施工要采取措施，进行焊接工艺评定 五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 1、重型屋面，双曲矩形管焊接节点，主次高度分开，增加加劲肋，焊接分段增加重视深化设计。2、沪宁钢构相对专业。五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 复杂钢结构应重视施工：1.因屋面具有坡度，施工单位应在屋面混凝土楼板浇注过程中采取措施防止低洼位置混凝土聚集超重。2.要求复杂整楼层悬挑结构、吊挂结构，施工单位应编制专项施工方案并进行施工全过程模拟分析，保证施工过程中构件承载力、挠度、稳定满足设计要求，并要求施工及使用阶段进行健康

48、监测。五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 五五 施工施工过程及建成后照片过程及建成后照片 吊挂结构效果很好，重视结构设计及超高墙体预留檩条连接 六六 总结总结 项目成果：课题：技技1616研研-1717-内蒙古美术馆大承载力三维相贯铸钢节点内蒙古美术馆大承载力三维相贯铸钢节点试验试验 研究研究及数值分析及数值分析 论文：内蒙古自治区美术馆复杂结构设计内蒙古自治区美术馆复杂结构设计2018.122018.12建筑结构建筑结构 内蒙古美术馆结构超限抗震设计内蒙古美术馆结构超限抗震设计 2018.122018.12建筑结构建筑结构 专利：一

49、种三维相贯铸钢节点构造专利一种三维相贯铸钢节点构造专利 20182086866432018208686643 六六 总结总结 用钢量：计算面积 主体桁架结构 檩条 建筑平面投影面积5875m2 143 kg/m2 13kg/m2 建筑平面投影+幕墙展开面积7975m2 105 kg/m2 13kg/m2 安全、适用、经济是结构设计的三要素，影响结构造价的各个因素之间相互影响、制约。本工程在悬挑钢结构部分设计中通过与建筑师的密切配合，尽量满足建筑体型及功能的需求，争取最优的结构体系，来解决重荷载大悬挑、吊挂、施工周期等难题。下表列出了悬挑钢结构部分的用钢量情况，根据相关工程经验数值控制在相对合适的范围内，供相类似工程借鉴。六六 总结总结 与建筑师充分沟通，理解建筑师的想法，满足重点关注点，以退为进，争取最有利于结构的体系 复杂项目顺利完成是一个团队的成果，重视每次项目组的讨论 超限结构：前期结构概念的设计更重要，抓住主要薄弱部位，重概念轻计算 大型复杂结构的施工配合很重要，考虑的因素很多 谢 谢 谢 谢 本PPT版权归中国航空规划设计研究总院有限公司所有