杭州国际会议中心网壳屈曲分析-11月12日,第16届亚洲运动会开幕式在广州海心沙岛举行.这是中国...
姚伟军 刘金升 李建宏
摘 要：本文针对了杭州国际会议中心的结构特殊性，对其C形开口部位和顶部肋环形壳体进行整体屈曲分析，有效地解决了设计上存在的问题，并对类似结构的设计有一定的参考意义。
关键词：网壳； 屈曲分析； 荷载-位移曲线
1.工程概况[1]
杭州国际会议中心位于杭州市江干区钱塘江北岸的钱江新城核心，是集大型会议中心和白金五星级酒店于一体的钱江标志性建筑（图1）。
该建筑占地面积18500m2，地上总建筑74209 m2，地下总建筑面积52087 m2，其建筑分为地下室、椭球形的裙房、球形主体三大部分。地下两层为汽车车库、设备用房及酒店和会议的配套用房；裙房为会议中心部分，2层12m高，由宴会厅、会议厅、新闻发布厅等组成；球形主楼为白金五星级酒店，共19层85m高（图2）。
该结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为一组，场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别为乙类。结构设计使用年限为50年。设计基本风压：0.50kN/m2，体型系数及风振系数按风洞试验结果采用。
2.结构体型
由于本工程特殊的空间球体的体型，造成主楼的结构体系具有以下几个特点：
（1）建筑平面为“C”形，结构平面不规则（图3）；
（2）建筑剖面为“C”形，结构竖向不规则（图2）；
（3）结构主平面在顶部连为“O”形，形成连体结构；
（4）由于建筑空间及立面造型要求，结构框架柱均为斜柱，同时框架梁承担轴向力作用，特别是“C”形开口部位的框架梁承担的轴向力很大。
3.C型开口部位的整体屈曲分析
C形开口部位为结构的重要部位，参与球体整体工作，必须采取必要的加强措施，确保在整体分析中其作用的发挥。同时，该处结构构件直接外露，建筑对结构形式及截面提出了一定的要求。本工程对C形开口部位设计采取了多方案的比较：方案一、隔层设梁，并调整梁截面，端部设水平加腋斜撑，C形开口部位两侧的第一跨间设置沿球面的竖向斜撑；方案二、隔层设梁，并调整梁截面，53.5m标高处设置腰桁架，设中间观光平台，开口连通，C形开口部位两侧的第一跨间设置沿球面竖向斜撑；方案三、隔层设梁，并调整梁截面，53.5m标高处设置立体空间交叉腰桁架，C形开口部位两侧的第一跨间设置沿球面竖向斜撑。经过多次计算、分析、比较，最终采用方案三。
因为C形开口部位柱18.75～69.0m标高差达50m，出平面稳定无法按普通框架柱设计，因此补充了整体屈曲稳定分析。
取A21轴和A25轴之间开口部位的结构进行整体非线性稳定分析，考虑材料非线性和几何非线性[2]。分析中考虑结构的初始几何缺陷，以一阶屈曲模态来模拟结构的初始缺陷分析，实际计算时缺陷的最大值为跨度的1/300，即150mm。采用弹簧支座，弹簧刚度由整体模型中的反力和位移确定。
由图5可以看出，该结构的一阶屈曲模态为柱子径向压屈；由图6可以看出，该结构的极限承载力为设计荷载的6.2倍。
4.单层肋环形顶壳整体屈曲分析
本结构顶壳采用的是大跨度单层肋环形顶壳，为充分考虑初始缺陷对结构的不利影响，应用ANSYS有限元程序进行整体稳定非线性分析[2]。
取标高73m以上的屋顶壳进行整体非线性稳定分析，考虑材料非线性和几何非线性。分析中考虑结构的初始几何缺陷，以一阶屈曲模态来模拟结构的初始缺陷分布，实际计算时缺陷的最大值为跨度的1/300，即137.5mm。竖向约束采用弹簧单元，弹簧刚度由整体模型中的反力和位移确定。分析包括全跨均布荷载和半跨均布荷载两种情况。
4.1 全跨均布荷载作用
考虑顶壳全跨均布荷载，计算结果如下：
4.2 半跨均布荷载作用
考虑顶壳半跨均布荷载，计算结果如下：
由图10和图13可以看出，全跨均布荷载作用下的顶壳的极限承载力为37.5kN/m2，而半跨均布荷载作用下顶壳的极限承载力低于全跨均布荷载作用下的极限承载力。
5.结论
（1）C形开口部位的一阶屈曲模态为柱子的径向压屈，该结构的极限承载力为设计荷载的6.2倍。
（2）顶部肋环形壳体在全跨均布荷载作用下的极限承载力为37.5kN/m2，而在半跨均布荷载作用下的极限承载力小于其全跨均布荷载作用下的极限承载力。
参考文献
[1] 姚伟军、李建宏.杭州国际会议中心多遇地震反应谱分析及弹性时程分析.建筑技术，2011增刊.第42卷
[2] 龚曙光. ANSYS工程应用实例解析. 北京：机械工业出版社，2003
【作者简介】姚伟军（1979-），男，江苏人，工程师，从事结构设计。
【文章编号】1627-6868（2013）08-0027-03
