大型可伸缩装配式钢结构看台设计与分析

　第４５卷　第３期２０１９年６月四川建筑科学研究ＳｉｃｈｕａｎＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ　　　　　　　　　　　收稿日期：２０１９０４２５基金项目：四川省科技计划资助项目（２０１９ＹＦＳ００６５）作者简介：魏明宇（１９７８－），男，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事新型钢结构技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：５７０８７２８５５＠ｑｑ．ｃｏｍ大型可伸缩装配式钢结构看台设计与分析魏明宇１，贾　斌１，周　２（１．四川省建筑科学研究院有限公司，四川成都　６１００８１；２．西南交通大学土木工程学院，四川成都　６１１７５６）摘　要：以某会场可伸缩装配式钢结构看台为例，对其材料选用、体系构成以及节点构造等情况进行了分析，依据其结构体系特点确定了边界条件及构件连接情况并建立了结构三维有限元模型。考虑不同活荷载工况组合展开了结构内力分析，讨论了最不利内力分布情况。采用整体稳定性分析方法找出了看台结构薄弱部位，并依据相关规范对其整体稳定性进行了评价。结果表明，本文涉及的可伸缩装配式钢结构看台构件应力比较小，满足设计要求，并具备较好的整体稳定性能。关键词：可伸缩看台；装配式结构；结构设计；整体稳定分析中图分类号：ＴＵ３９１　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１００８－１９３３（２０１９）０３－０５９－０５ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｔｅｅｌｇｒａｎｄｓｔａｎｄｗｉｔｈｆｏｌｄｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎＷＥＩＭｉｎｇｙｕ１，ＪＩＡＢｉｎ１，ＺＨＯＵＹｉ２（１．ＳｉｃｈｕａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００８１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１１７５６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｔｅｅｌｇｒａｎｄｓｔａｎｄｗｉｔｈｆｏｌｄｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ，ｓｕｃｈａｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｊｏｉｎｔｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｔｅｅｌｇｒａｎｄｓｔａｎｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｇｒａｎｄｓｔａｎｄａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｓｔｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅｉｎｎｅｒｆｏｒｃｅｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｆｏｕｎｄｏｕｔｔｈｅｗｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｏｍｅｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄ，ｉｔｍａｄｅｓｏｍｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｔｏｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｔｈｅｇｒａｎｄｓｔａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｅｍｂｅｒｓｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｄｅ，ａｎｄｈａｓｇｏｏｄｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｌｄｉｎｇｇｒａｎｄｓｔａｎｄ；ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ０　引　言可伸缩装配式钢结构看台采用装配式活动架体作为支撑结构，具有不受场地限制、安装方便、易于拆卸等特点，通过机械传动装置可以轻松完成看台结构的展开与折叠，非常适合大空间建筑室内使用。我国近几年在大型体育赛事及社会活动中广泛使用了装配式临时看台，已经获得了良好的社会及经济效益，２００８年北京奥运会在诸多场馆中采用了装配式临时看台系统，总计达到８万个席位。国外对于此类临时看台结构进行了诸多研究工作［１２］，并制定了相关设计规范［３］。装配式临时看台能够满足大量观众对于赛事、演出等活动的观赏要求，并且施工周期相对较短，构件材料可以循环利用，符合当下绿色建筑的建设理念。目前，国内对于该类临时看台结构研究仍存在体系不完善和设计不合理等问题，导致在实际使用过程中发生诸如２００７年上海国际赛车场的４个临时看台倒塌、２００２年张学友武汉演唱会临时看台垮塌等安全事故［４］。本文以某大型可伸缩装配式钢结构看台为例，从荷载布置、结构体系、节点简化、构件设计以及整体稳定性等角度出发展了开相关研究，根据结构体系特点及节点构造形式建立了三维有限元分析模型并进行了静力分析，讨论了最不利荷载下的结构内力分布规律并对构件截面进行了校核，基于线性屈曲分析及考虑几何非线性和材料非线性影响的极限承载力分析方法考察了临时看台结构的整体稳定性能，最后提出了相关使用建议。９５１　工程概况某可伸缩装配式钢结构看台在完全展开状态下共计有２９阶１４００座，结构横向宽２８５ｍ、纵向长２６６ｍ，最后一排结构高度约８ｍ。钢结构自重约８２ｔ，满座后重量达到１８０ｔ，看台钢结构由矩形钢管立柱、卷边Ｃ型钢横梁、方钢管次梁及立柱底部锁脚梁组成，立柱间采用扁钢条作为柔性支撑系统。为满足可折叠需求，看台立柱底部共设置１８３６个由聚氨酯材料制造的触地脚轮，由驱动电机带动７２个驱动轮完成钢结构看台的展开与折叠。图１为结构展开与折叠状态模式。活动看台完全展开时的投影面积为７４２ｍ２，处于折叠状态时的面积为１４０ｍ２，约８０％看台面积可被折叠收纳。当其完全展开时，通过立柱顶部及底部双重钩锁设计（图２）使看台钢结构由活动机构状态转变为固定结构状态。由于该看台设计构造较为特殊，有必要对其承载性能和变形特征进行计算分析。图１　结构展开及折叠状态Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐａｎｄｅｄａｎｄｆｏｌｄｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图３　结构整体有限元模型Ｆｉｇ．３　Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图２　结构上下钩锁设计Ｆｉｇ．２　Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｌｏｃｋｉｎｇｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２　结构分析设计２．１　有限元模型采用钢结构设计分析软件３Ｄ３Ｓ建立展开状态下看台完整结构计算模型（图３），整体模型共计４４０８个节点、７６８５个单元，基本荷载工况包括恒荷载０５ｋＮ／ｍ２、活荷载３５ｋＮ／ｍ２（考虑活荷载满布以及非均匀布置工况），另外考虑人群活荷载存在水平方向分量。由于看台处于室内且为临时性结构，因此不考虑风荷载及地震作用。本项目中结构所采用的钢材均为Ｑ２３５Ｂ材料，其弹性模量为２０６ＧＰａ，泊松比为０３，密度为７８５０ｋｇ／ｍ３。立柱采用矩形钢管，卷边Ｃ型钢作为主横梁，方钢管作为座位席下次梁及立柱底部锁脚梁，具体规格参数见表１。表１　构件规格参数Ｔａｂｌｅ１　Ｍｅｍｂｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｇｒａｎｄｓｔａｎｄ序号构件名称规格所处位置备注１立柱矩型钢管１００×５０×４看台下部立柱局部双矩管并联２主梁Ｃ型钢１８０×５０×２５×３连接立柱及次梁与立柱及次梁铰接３次梁方钢管５０×５０×３搭接前后主梁与主梁铰接４锁脚梁方钢管５０×５０×３连接立柱柱脚与柱脚铰接５斜拉杆扁钢４０×４平面内立柱铰接减小立柱计算长度０６　　　　四川建筑科学研究第４５卷　该可伸缩看台结构沿轴向设置了３处刚度较大的不可折叠区，以此可区分为高中低３个高度区域，沿结构宽度方向以使用功能及结构构造特点可划分为结构构造相同的６个看台单元。在锁闭状态下，看台展开后的结构体系可以理解为梁柱铰接的近似桁架结构，在宽度方向采用柔性拉杆为立柱提供抗侧刚度。２．２　边界条件与荷载工况可伸缩看台结构底部由聚氨酯材料制造的触地脚轮支承于室内地面，当柱脚锁闭装置启动后，柱脚能够有效约束平动，但约束转动的能力较弱，因此偏于安全地采用铰接支座模拟结构底部边界条件。看台结构主要承受上部看台设备恒荷载及人群活荷载，依据使用需求并结合《演出场所安全技术要求》（ＷＨ／Ｔ４２—２０１１）［５］确定恒荷载设计值为０５ｋＮ／ｍ２，人群活荷载设计值为３５ｋＮ／ｍ２。由于观众在看台上产生的人群活荷载非常复杂，且往往是造成此类结构倒塌的主要原因，人群活荷载对轻质、柔性看台影响极为不利，因此本文活荷载乘以动力放大系数１．２后取４２ｋＮ／ｍ２，同时考虑人群在水平向产生的水平活荷载，其值取竖向活荷载的１／１０。共计考虑６种工况及其１８种组合（表２），其中Ｄ表示恒荷载、Ｌ１表示满布竖向活荷载、Ｌ２表示沿看台轴向向前水平活荷载、Ｌ３表示沿看台轴向向后水平活荷载、Ｌ４表示沿看台横向水平活荷载、Ｌ５表示沿看台轴向间隔布置竖向活荷载、Ｌ６表示沿看台横向间隔布置竖向活荷载。表２　荷载工况组合Ｔａｂｌｅ２　Ｌｏａｄｃａｓｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ工况组合号组合形式工况组合号组合形式ＬＳ１１．２Ｄ＋１．４Ｌ２＋０．９８Ｌ１ＬＳ１２１．０Ｄ＋１．４Ｌ２ＬＳ２１．２Ｄ＋１．４Ｌ３＋０．９８Ｌ１ＬＳ１３１．０Ｄ＋１．４Ｌ３ＬＳ３１．２Ｄ＋１．４Ｌ４＋０．９８Ｌ１ＬＳ１４１．０Ｄ＋１．４Ｌ４ＬＳ４１．２Ｄ＋１．４Ｌ１＋０．９８Ｌ２ＬＳ１５１．０Ｄ＋１．４Ｌ２＋０．９８Ｌ４ＬＳ５１．２Ｄ＋１．４Ｌ１＋０．９８Ｌ３ＬＳ１６１．０Ｄ＋１．４Ｌ３＋０．９８Ｌ４ＬＳ６１．２Ｄ＋１．４Ｌ１＋０．９８Ｌ４ＬＳ１７１．０Ｄ＋１．４Ｌ４＋０．９８Ｌ２ＬＳ７１．２Ｄ＋１．４Ｌ１ＬＳ１８１．０Ｄ＋１．４Ｌ４＋０．９８Ｌ３ＬＳ８１．２Ｄ＋１．４Ｌ５ＬＳ１９１．０Ｄ＋１．０Ｌ１ＬＳ９１．２Ｄ＋１．４Ｌ６ＬＳ２０１．０Ｄ＋１．０Ｌ２ＬＳ１０１．２Ｄ＋１．４Ｌ１＋０．９８Ｌ４＋０．９８Ｌ２ＬＳ２１１．０Ｄ＋１．０Ｌ３ＬＳ１１１．２Ｄ＋１．４Ｌ１＋０．９８Ｌ３＋０．９８Ｌ４ＬＳ２２１．０Ｄ＋１．４Ｌ４２．３　分析验算结果基于３Ｄ３Ｓ有限元模型进行结构内力分析，各工况下最不利内力见表３。对于立柱而言，最不利工况组合为ＬＳ１、ＬＳ２及ＬＳ１１，其轴力最小工况组合为ＬＳ７～ＬＳ９以及ＬＳ１４，沿看台轴向水平荷载对结构立柱轴力影响非常明显，横向水平荷载主要由柱间支撑抵抗，因此立柱轴力较小。前１１个工况中薄壁Ｃ型钢主梁的内力较为接近，表明其内力主要受恒荷载及竖向活荷载控制。考虑活荷载不匀均布置的ＬＳ８及ＬＳ９工况组合计算结果表明，立柱轴力及主梁内力均较小，结构体系构成特点对非均布荷载作用并不敏感。次梁主要起将观众席荷载传递给主梁的作用，个别工况组合下弯矩差别不大，沿看台轴向水平力作用下其轴力增大较为明显。因本项目侧向荷载仅为人群活荷载引起的水平荷载，因此柱间柔性支撑轴力较小，当沿看台横向水平活荷载参与组合时，其内力相对较大。立柱构件强度应力比最大值为０８６，稳定应力比最大值为０８８。薄壁Ｃ型钢主梁构件的强度应力比最大值为０８３，稳定应力比最大值为０８９，以上结构主构件应力比满足规范要求。基于３Ｄ３Ｓ有限元模型进行结构内力分析，各工况下最不利内力见表３。ＬＳ１９～ＬＳ２２对应的荷载标准组合下，结构主次梁受弯构件变形均满足ｌ／４００的限值要求。表３　结构最不利内力Ｔａｂｌｅ３　Ｍｏｓｔｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅｉｎｎｅｒｆｏｒｃｅ工况号立柱轴力／ｋＮ主梁次梁弯矩／（ｋＮ／ｍ）轴力／ｋＮ弯矩／（ｋＮ／ｍ）轴力／ｋＮ斜撑轴力／ｋＮＬＳ１－５１．０－４．５／６．１－１４．０／６．５－２．４／２．８－７．０／１１．５３．９ＬＳ２－５４．５－４．６／６．３－１４．１／６．９－１．６／３．３－８．０／１０．９３．９ＬＳ３－３５．８－５．４／６．０－１