钢桁架结构艺术中心结构设计方案介绍.pdf

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1、甄伟嘉德艺术中心结构设计介绍2本节内容：一、工程概况二、结构体系三、难点分析四、振动台试验3一、工程概况本工程位于朝阜历史文化轴重要地段，其历史文化信息非常丰富。中国美术馆的特定功能和历史文化价值使之成为该地区的核心建筑，对周边地区的经济和文化发展有着重要作用。4一、工程概况建筑体形呼应城市关系，上层酒店建筑体量较大，下部体量衔接民居肌理，造型设计独特。5一、工程概况建筑功能需求不同于常规建筑，下部布局大空间展览、拍卖大厅，上部布局酒店和会所，功能以空间性质进行划分。酒店客房空间：5.2m 11.2m，呈环状布局。展厅空间：26m 58m，位于首层中心位置。6一、工程概况业主：北京皇都房地产有

2、限公司建筑方案：Bro Ole Scheeren Limited结构设计：北京市建筑设计研究院有限公司设计顾问：宋腾添玛沙帝结构师事务所总承包单位：中建三局7二、结构体系（一）结构体系介绍（二）五九层悬挂体系（三）巨型钢桁架结构施工措施（四）钢板混凝土组合剪力墙设计与施工（五）结构净高提升措施8二、结构体系一层以26m58m大空间无柱拍厅为主。26m x 58m无柱展拍空间除核心筒外，绝大部分竖向构件均逐层截断，到4层全部截止。竖向核心筒，承担绝大部分竖向力和水平力。（一）结构体系介绍9二、结构体系三至四层为嘉德配套用房、酒店大堂。主要柱网尺寸为10.4 10.4 m和10.4 8.5 m。通

3、高桁架将下部大空间转换为上部小柱网。通高桁架（一）结构体系介绍10二、结构体系二层至三层设置整层高转换桁架：高4.2m，跨度约26m。右侧结合建筑功能，设置一道两层高空腹桁架。（一）结构体系介绍1110轴转换桁架13轴转换桁架17轴转换桁架24轴转换桁架28轴自承重空腹桁架12二、结构体系五层至九层，酒店客房悬挂在核心筒外，主要柱网尺寸为5.2m 11.2m。由于柱子均不能贯通落地，因此客房区“漂浮”于空中。（一）结构体系介绍13悬挂方案平面布置图东西方向悬挂方案南北方向悬挂方案核心筒作为悬挑桁架支点14斜杆拉力在顶部的受力节点处分解为一个水平力和一个竖向力。+悬挑桁架空腹桁架在九层及五层的桁

4、架上、下弦处，均布置较大的贯通主梁以抵抗相应的拉力及压力。在核心筒角点埋置了构造型钢以克服集中内力，增强延性。15二、结构体系采用拉压杆、避免弯曲，是简洁高效的受力形态，也有利于节省造价和减小构件截面尺度。东西向、南北向的大悬挑构件，均通过设置斜拉杆，改善悬挑桁架的承载效率。（二）五九层悬挂体系杆件轴力图杆件弯矩图16二、结构体系钢结构体系混凝土结构体系17CT1CT2CT3CT4基础平面图地基与基础协同分析总沉降量二、结构体系18二、结构体系19二、结构体系20二、结构体系21二、结构体系施工难点（1）：悬挑长度长、悬空高度高、重量大。自剪力墙上悬挑施工三角撑，作为悬挑部分的安装支点。外圈桁

5、架下方设施工支撑钢管，避免形成整体之前发生失稳。（三）巨型钢桁架结构施工措施三角支撑架布置图三角支撑架立面图22二、结构体系施工难点（2）：悬挑整体重量约2000吨，距地高度约13米，施工时四面不能同时安装，可能导致核心筒不均匀受力和变形。对策分析：先安装四个核心筒之间的钢梁至第6层，使核心筒形成稳定体系后再安装外围悬挑。（三）巨型钢桁架结构施工措施23二、结构体系24二、结构体系25二、结构体系增设分布拉结筋（四）钢板混凝土组合剪力墙设计与施工设置钢筋连接器1、墙体分布筋、拉筋的设计26二、结构体系（四）钢板混凝土组合剪力墙设计与施工2、型钢端柱的设计暗柱计算配筋由型钢柱和暗柱纵筋共同承担，

6、适当加大暗柱内型钢截面，减少纵筋数量，以简化钢筋穿孔、绑扎、弯折等工作量。加大暗柱外圈纵筋，弱化内部纵筋，保证传力连续有效，内部纵筋主要起架立箍筋的作用，一般伸至型钢梁后弯锚。A走廊空间B酒店客房空间27二、结构体系为解决房间高度问题，结构采用变高度梁的办法，在层高3.25m的条件下实现净高2.8m。（五）结构净高提升措施层高层高3.25m（B室内净高室内净高2.8m）层高层高3.25m（A走廊高度走廊高度2.4m）28二、结构体系采用大悬挑和大跨度区域应用TMD技术，压缩梁高的同时保证行人舒适度。（五）结构净高提升措施29二、结构体系TMD安装与结构开洞相结合（五）结构净高提升措施30三、难

7、点分析（一）结构设计标准（二）抗震设防相关参数（三）抗震性能目标（四）主要计算结果（五）特殊处理措施31三、难点分析（一）结构设计标准设计基准期（可靠度）50年结构设计使用年限（耐久性）50年建筑结构安全等级二级结构重要性系数1.1（重点设防类），1.0（标准设防类）建筑抗震设防类别重点设防类（二层及以下），标准设防类（三层及以上）建筑高度类别A级地基基础设计等级甲级建筑桩基设计等级甲级建筑物耐火等级一级地下工程防水等级一级32三、难点分析（二）抗震设防相关参数抗震设防烈度8度设计基本地震加速度0.20g场地类别类设计地震分组第一组场地特征周期Ag0.35s弹性分析阻尼比0.04周期折减系数0

8、.8抗震等级二层及以下混凝土剪力墙、框支框架：特一级框架：一级三层及以上混凝土剪力墙、框支框架：一级框架：二级33三、难点分析（三）抗震性能目标34三、难点分析（三）抗震性能目标罕遇地震下构件性能目标35三、难点分析（四）主要计算结果整体结构模型图局部模型图36三、难点分析（四）主要计算结果计算软件计算软件ETABSETABSSATWESATWE结构总质量33189 ton32645 tonX 向Y 向X 向Y 向刚重比72.236.173.733.4地震作用总地震剪力kN40339 40308 38262 38102 倾覆弯矩kN.m979199 971107 931055 909417 最

9、大层位移角（含双向地震）1/31061/12841/25831/1349底层位移角（含双向地震）1/67561/34121/65611/3557规定力作用下考虑偶然偏心的楼层位移角比值1.141.171.331.30剪重比12.5%12.5%11.7%11.7%37三、难点分析（四）主要计算结果38三、难点分析（五）特殊处理措施混凝土筒的主要墙肢(含翼缘)承担该方向全部地震作用。酒店上部结构四层荷载通过悬挂结构传至GT624 轴的剪力墙上。这部分墙体的抗震性能以大震不屈服来考虑，同时单独将此部分墙用二维分析方式来进行校验。39（五）特殊处理措施1、沿Y向的墙体开设900mm宽结构洞形成耗能机制

10、。40（五）特殊处理措施1、沿Y向的墙体开设900mm宽结构洞形成耗能机制。核心筒和连梁受压损伤因子分布核心筒和连梁受拉损伤因子分布41（五）特殊处理措施2、空腹桁架验算在外围的悬挂点间的跨度东西侧达到46.8m，南北侧达36.4m。采用4层高的空腹桁架解决大跨度问题。42（五）特殊处理措施2、空腹桁架验算43（五）特殊处理措施2、空腹桁架验算核心筒和连梁受压损伤因子分顶部悬挑桁架及空腹桁架在大震下保持弹性。44（五）特殊处理措施3、筒体角部单独承重悬挂的分析在悬挂的支承部位，仅考虑转换桁架平面内的主要墙肢(含翼缘)承担该方向全部地震作用。筒体的关键角部采用型钢混凝土约束边缘构件，计算模型通过

11、计算缝明确其受力，节点承载力计算不考虑混凝土。计算模型计算假定：（1）钢骨自身应有足够富余承重环带桁架。（2）忽略混凝土墙体刚度。（3）分析方法:重力荷载下，仅考虑角部四根钢骨单独承重。地震作用下，桁架整体分析。45（五）特殊处理措施3、筒体角部单独承重悬挂的分析杆件轴力图杆件弯矩图角部钢柱P-M曲线46（五）特殊处理措施4、连续倒塌分析47四、振动台试验（一）地震动输入（二）结构自振周期和响应（三）竖向地震作用研究（四）结论48四、振动台试验通过缩尺振动台试验和数值模拟，研究结构的动力特性，对其变形能力和抗震性能进行验证，评估规范方法计算竖向地震作用的合理性。49四、振动台试验通过加速度传感

12、器来测量结构的加速度反应，并积分获得位移响应。试验中重点考察结构的振型、各层平动及扭转反应、大跨及悬挑区域竖向反应。50四、振动台试验（一）地震动输入小震阶段试验选用与计算相同的3组地震波，分别进行XY双向及XYZ三向输入。中震阶段的试验，选用大震弹塑性时程分析所用的3组地震波，分别进行双向及三向输入。大震阶段的试验，选择中震阶段反应最大的1组地震波进行三向输入。单向地震波工况选用主方向地震波，三向地震波工况X向选用主方向地震波，Y向选用辅方向地震波。51四、振动台试验（二）结构自振周期和响应8 度多遇地震作用下x 向加速度响应8 度多遇地震作用下y 向加速度响应52四、振动台试验（二）结构自

13、振周期和响应转换层桁架竖向加速度响应悬挑桁架竖向加速度响应53四、振动台试验（三）竖向地震作用研究规范给出的竖向地震作用计算方法可近似分成两种：一是取为重力荷载代表值与竖向地震作用系数的乘积（简化方法）；二是竖向振型分解反应谱法（反应谱法）。以振动台试验中实测的悬臂和大跨转换层的竖向地震响应和数值模拟得到的响应为基础，对竖向地震作用计算方法进行验证。通过在杆件上布置应变片测量动应变，可以反推出竖向地震作用在杆件中产生的作用效应。因此，采用竖向地震作用在悬挑和大跨转换层杆件中产生的内力来验证规范竖向地震作用计算方法的准确性。54四、振动台试验（三）竖向地震作用研究1、悬挑桁架各杆件轴力按重力荷载

14、代表值作用下的轴力进行归一化：竖向反应谱法计算结果最小可能原因：（1）采用竖向反应谱法计算时，并没有取完全部振型；（2）竖向反应谱近似取水平地震反应谱的65%，而时程分析中3 组地震动竖向分量的峰值加速度大于水平峰值加速度的65%。55四、振动台试验（三）竖向地震作用研究2、大跨度转换桁架与大悬臂桁架结论类似，对于大跨转换层桁架，仍然是时程分析得到的轴力最大，简化方法次之，反应谱法计算结果最小。56四、振动台试验（三）竖向地震作用研究2、大跨度转换桁架4 根弦杆的平均轴力比例约14.1%。这表明“简化方法”计算的轴力对于弦杆并不安全。对于8 度抗震设防的大跨转换层桁架，竖向地震作用的计算宜取“简化方法”和“竖向反应谱法”的包络值，且“简化方法”中竖向地震作用宜适当放大。57四、振动台试验（四）结论大跨度转换桁架或者悬挑桁架的竖向地震作用与结构体系和桁架在结构中的具体位置有关，宜针对工程特点具体分析。由于竖向振型分解反应谱计算竖向地震作用时，近似取水平地震影响系数的65%，故竖向反应谱计算得到的竖向地震作用并不一定比规范简化方法更准确，建议取两者的包络。对于嘉德艺术中心项目中8 度抗震设防的大悬臂桁架和大跨度转换层桁架，采用规范“简化方法”计算的竖向地震作用并不安全，根据振动台试验和数值模拟的结果，将重力荷载代表值比例由10%提高至15%进行抗震设计。