大跨度鋼結構屋頂方案分析與思考

吳云緩

(上海江歡成建筑設計有限公司,上海 200070)

大跨度鋼結構屋頂方案分析與思考

吳云緩

(上海江歡成建筑設計有限公司,上海 200070)

大跨度鋼結構屋頂建筑因為結構形式不同,很大程度上影響建筑造型和經濟造價。本文結合會展中心結構方案的建立和設計,探討了大跨度空間結構的兩組結構形式的對比和優化。文中采用合理的結構內力來表現建筑外形的設計手段對同類建筑的實施具有一定的參考價值。

大跨度;結構體系;巨型桁架;索結構

1 前言

圖 1 杭州國際會展中心建筑方案效果圖

2 建筑思想

該項目委托曾經設計上海大劇院的法國夏邦杰建筑事物所進行建筑方案設計。根據功能要求,會議中心的主體空間跨度約:縱向約 220 m,橫向 126m,腳支座 33m,高 75 m。外觀造型猶如巨大的“蝴蝶”,展翅欲飛,如圖 1所示。初始階段,建筑師并沒有給出具體的方案。這樣,雖然對結構工程師來說,有較大的自由設計空間,同時也提出了一個大難題:如何構成這個“蝴蝶”? “蝴蝶”軀干如何形成? “蝴蝶”翅膀怎么展開,飛舞?軀干與翅膀如何連接,而且連接得牢固?從力學原理出發,要求結構盡可能得簡潔明了,傳力途徑越簡單越直接越好。這樣,又往往與建筑思想有沖突,但最終結構是為實現建筑意圖服務的。這一對矛盾在本項目中顯得尤為突出。

3 結構體系

基于上述特點和建筑構思,經過思考分析,漸漸趨向于:在平面上采用兩個 220m×50m的梭形體并排連接成一個“蝴蝶”,如圖 2所示。每個梭形體有兩個巨型拱組成,呈張開口的蚌殼形,脊背朝下,口朝上,從側面看象倒“人”字形,如圖 3所示。

整個結構的骨架有四榀大跨拱形成,其空間圖形如圖 4所示。

圖 4 結構空間布置圖

為了形成“蝴蝶”身軀,兩個梭形體不能太靠近。這樣,整體側向水平剛度將成為薄弱環節。兩個梭形體之間的聯結,也成為結構體系的一個難點之一。

梭形體屋面橫切面為下懸線,縱切面為上凸圓弧線。結構的側面玻璃幕墻以豎向受力構件將外邊拱大與地連,從而形成一個整體。屋面體系,側面承力體系及巨拱體系有多種方案。經過可行性分析研究,認為有兩種方案比較具有綜合優勢,分析如下:

3.1 剛性結構體系(方案一)

方案一中 4個巨拱為空間鋼桁架形式,與地面鉸接,主要承受壓力,是整個結構的豎向支撐體系。側面幕墻為懸掛體系,玻璃幕墻的結構構件從外邊巨拱上“懸掛”下來,與地面鉸接,主要受拉和受彎,抵抗水平風載和幕墻的動荷載,并起到整體穩定作用。屋面結構體系由橫向的下凹工字鋼及縱向和斜向支撐桿組成,形成空間單層曲面網架。整個結構模型見圖 5。

圖 5 剛性結構:空間桁架+懸掛體系

巨拱的曲線形狀需要考慮兩方的要求:一方面是功能空間的建筑造型,另一方面是結構受力的合理性。前者要求呈橢圓形,對后者的要求則懸鏈線最為理想,可以使巨型桁架的各個斷面只受壓力。為了兼顧兩者,方案定為介于拋物線與圓弧之間的一個形狀曲線。參見圖 6。

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本方案采用 SAP2000有限元程序進行了分析,考慮了豎向荷載和橫向風荷載的組合。由于處于 6度抗震設防烈度地區,暫時不考慮地震作用。計算分析采用了如下假定:

(1)4大巨型桁架與地面固定鉸支座連接;

(2)巨型桁架由平面桁架和平面外起穩定作用的斜撐組成空間立體鋼桁架;

(3)屋面結構體系由橫向的工字鋼及縱向和斜向鋼管組成,形成空間單層曲面網架;

(4)玻璃幕墻結構骨架荷載由屋面外邊巨拱負擔,此時與地面豎向滑動鉸支座連接。而玻璃部分荷載則由外邊巨拱與地面共同負擔(也就是與地面固定鉸支座連接)。

分析結果如表 1:

圖 6 巨型桁架曲線找形比對

表 1 剛性方案計算分析結果

由計算結果可以看出:

(1)對于 220m的跨度,結構的自重成為關鍵。用鋼量越大,重量就越大,引起的結構變形也越大。相反,用鋼量小,變形小了,自重減輕,周期變小,同時抗風等穩定性減弱。本案在用鋼量 120kg/m2處找到了平衡點,最大位移控制在 1/300以內。

(2)兩側玻璃幕墻按懸掛法,既可有效利用外邊巨型桁架的作用,又改變了傳統玻璃幕墻骨架壓彎受力特性成為拉彎受力,從而進一步減少了兩側面玻璃幕墻的用鋼量。

(3)兩側玻璃幕墻的骨架對整個結構體系的側向穩定貢獻很大。

(4)好的結構空間輪廓受力清楚,縮小了桿件設計截面,從而節約用鋼量,同時滿足建筑功能需求。

3.2 柔性結構體系(方案二)

主體支承體系仍為 4榀 220m的大拱,由屋面承重索和幕墻的豎向拉索組成一個幾何不變體系,見圖7。本方案采用ANSYS有限元程序進行了分析。

計算分析采用了如下假定:

圖7 柔性結構:4大受壓巨拱+屋面承重索+豎向拉索體系

(1)拱腳采用鉸接。

(2)索的預應力按在初應變施加,計算中考慮大變形影響。

(3)加載順序為:先加結構自重及索的預應力,再加恒載及屋面或荷載。

經過對索網結構進行布置和反復計算,發現由于外拱平面外的變形使結構發生很大位移,屋面穩定索中的預應力消耗巨大,幕墻索中的應力又分布極不均勻,這些因素造成結構材料的浪費。在內外拱之間設置兩根剛性聯系梁后,可緩解應力集中,減小結構位移。用鋼量控制在 240kg/m2左右。如果拱采用鋼筋混凝土,結構用鋼量可降為180kg/m2。

4 總結

綜合以上兩個方案,可以看出:

(1)方案一用鋼量約 120kg/m2。方案二的最小用鋼量為 240kg/m2,若拱采用鋼筋混凝土,結構用鋼量也要 180kg/m2。

(2)結構體系自重的大小直接影響 4大拱支座反力。自重越大,引起的反力值越大,相應基礎的材料消耗也越大

(3)類似方案一(立體桁架+單層曲面網架)的國內施工相對比較成熟,而方案二,要按設計準確施工,由于每根索的長度不等,通過施加預應力來確定初期結構形狀,施工難度巨大

從直觀上看,拱擅長受壓,索擅長受拉,方案二的柔性結構體系結合了這兩種結構類型,具有優勢,但是經過在用鋼量,支座反力影響基礎對策以及施工難易度等比較,最后基本確定方案一為本結構體系。

Study of a Long Span SteelRoof

Wu Yunhuan

(Jiang Architects&Engineers,Shanghai200070,China)

The architecture presentation and construction costs of a long span steel roof are considerably affected by the selection of its structural for m.This article discussed the creation of an exhibition centre roof structure.It further explored the co mparison and opt mi ization of two different long span space structures.Themethod of designing the architectural outline by s mi ulating its structural load path could be established as an example for s mi ilar structure in the future.

Long Span;Structural System;Mega-size Truss;Cable Structure

TU393.3

A

1674-7461(2011)02-0075-04

吳云緩(1968-),女,副主任工程師,一級注冊結構工程師。從事空間結構設計。