天津大剧院吊挂结构抗连续倒塌分析

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1、.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

2、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

3、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

4、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1

5、5%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

6、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°。1.1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

7、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，

8、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。1结构抗连续倒塌分析1.1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