某会展中心展厅异形复杂大跨结构选型与设计

李 丽, 沈 金, 谢 辽, 王 俊

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概况

黄河三角洲农产品交易服务中心基础设施项目位于山东省滨州市高新技术开发区核心区,总体定位为以农产品展示与交易为主,集会议、办公等功能于一体的一流会展中心。项目总用地面积154 633.20m2,总建筑面积105 000m2。

本项目分两期建设,一期建设内容为展示交易及文化活动中心与配套服务中心一,包含5个展厅及1个服务中心,现已竣工并投入使用。二期建设内容为配套服务中心二,包含1幢9层的配套用房。各单体之间设置防震缝,平面布局见图1,建筑造型见图2。

图2 建筑造型

本文重点介绍1#、5#展示交易及文化活动中心(简称1#、5#展厅)结构设计,1#、5#展厅单体几何尺寸见表1,内部效果图见图3。

表1 单体几何尺寸(屋盖投影)

2 设计参数

本工程设计使用年限50年,安全等级为一级,属于重点设防类建筑［1］,抗震设防烈度为7度,设计基本加速度0.10g,设计地震分组为第三组,工程场地类别为Ⅲ类［2］。50年重现期基本雪压0.35kN/m2,50年重现期基本风压0.50kN/m2,大跨屋盖取重现期100年的风压(0.55kN/m2)、雪压(0.40kN/m2)计算［3］。

3 1#展厅结构设计

3.1 结构特点与结构选型

1#展厅柱网平面尺寸为75m(南北向)×122.1m(东西向),南北两侧6m跨度柱网范围设置两层配套用房,中部63m×122.1m的通高范围均作为展厅空间。屋盖为相连的两个东西向弧形缓坡屋面(最高点分别为18m和21.6m),端部向外延伸形成西侧外挑屋檐及建筑北立面的贝壳造型(大、小屋面分别对应大、小贝壳)。

单体下部主体结构采用钢筋混凝土框架结构、屋盖采用大跨钢结构体系。为满足建筑师追求的简洁轻盈的空间效果,并达到结构合理性与建筑效果完美契合,探讨了多个屋盖结构形式。

屋盖方案一:沿短向(南北向)布置立体桁架的结构形式,下弦设拉索形成张弦桁架体系,如图4所示。该方案杆件数量较多,未能达到建筑预期效果。

图4 屋盖方案一

屋盖方案二:结合建筑屋面造型,沿屋面弧线方向(东西向)布置张弦梁,形成跨度为84、38m的张弦梁体系,在屋盖中部高差处设足够刚度的支撑结构,见图5。此方案不足之处为:1)增大了张弦梁跨度且传力途径复杂化,结构不尽合理;2)展厅中部增设两根柱,影响了展厅内部空间;3)杆件虽较方案一减少,但与建筑内部空间契合度低,仍未满足建筑要求。

图5 屋盖方案二

屋盖方案三:沿短向(南北向)布置“上承式”张弦钢拱架,在张弦拱上结合屋面设置钢构件,形成上部水平、形似“上承式拱桥”的新型张弦拱架体系,如图6、7所示。该方案特点为:1)沿平面短向布置,传力途径直接、受力合理;2)与直线型张弦梁不同,其在几何关系上仍属于上凸型张弦结构范畴,索撑体系平面外稳定不存在问题［4-5］;3)拱架两端形成桁架,既增加了拱架刚度又解决了两侧屋面出挑及立面贝壳造型结构支架问题;4)端部桁架杆件之间的空间,可供设备管线布置利用,从而在相同建筑外包尺度条件下,可形成更大的内部有效空间。

图6 钢屋盖整体模型

图7 典型单榀张弦拱架布置图

方案三较好地结合了结构合理性及建筑效果,获得了建筑师的青睐,为本项目屋盖较理想结构形式,1#、2#、3#展厅均采用方案三结构形式,4#展厅采用斜柱加张弦梁的结构形式。

3.2 结构分析重点

3.2.1 张弦拱架受力特性分析

根据张弦结构的加工、施工及受力特点,通常将其结构形态定义为零状态(无自重、无预应力)、初始态(有自重和预应力)和荷载态(在初始态基础上承受其他外荷载,包括恒载和活载)三种。

初始态下,下弦拉索的内力主要为抵抗自重产生,由于该结构形式的柔性特点,其变形对下弦索预拉力作用变化的反应相当敏感(敏感程度与上弦构件的刚度相关,见表2),即施加超出自重效应的拉索内力时会产生较大的反拱位移,并在构件中产生额外的应力,于施工控制、经济性角度方面均为不利。

表2 不同张拉力下初始态对比

计算结果表明,上承桁架的存在使得此张弦结构对下弦索张拉力的敏感度显著降低,且上弦主钢梁控制截面应力几乎没有变化,因此,在结构抗风设计及挠度变形控制方面需要注意:

(1)控制风吸荷载作用下弦索的拉力值,避免失去张紧形态致结构失稳。抗风措施主要有:施加足够预张力、设置抗风索或增加配重。

(2)在初始态、弹性模量等均一致的条件下,荷载态下结构挠度与下弦索的直径直接相关,结构挠度可通过调整下弦索直径控制。

本工程张弦拱架两端的外挑桁架,在正常使用恒、活荷载作用下,可以发挥平衡大跨屋面中部荷载的有利作用;但在抗风设计时,其竖向荷载对支座内侧的上抬效应反而成为不利因素,而且应忽略悬挑范围风吸作用的有利影响,仅作为安全储备;与此同时,考虑到深化加工及施工控制的便捷性,本项目以施工图中的外形为零状态(构件加工形态),并在施工阶段,主要通过“控制变形为主、下弦索拉力值为辅”的方式使张弦拱架安装就位后的初始状态与零状态基本吻合。综合考虑挠度变形控制(如采用施加额外预张力抗风的方式,则对深化加工及施工过程中的挠度控制要求较高)、拉索使用效率、经济性指标及展厅内部空间的简洁性(如设置抗风索势必对展厅内部的空间有所影响),本项目的抗风措施采用增加结构配重的方式。

3.2.2 屋盖结构分析

在确定结构的布置形式后,参考《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)［6］及国内工程实例［7-9］,通过计算对比分析,最终将矢高确定为6.3m(约为跨度的1/10),其中上弦拱形钢梁矢高4m(约为跨度的1/16),下弦拉索的垂度2.3m(约为跨度的1/27)。上弦钢梁截面□600×400×(18～20),内灌水泥砂浆作为配重;下弦拉索采用1 670MPa级别高钒镀层索φ98,其弹性模量1.58×105MPa;撑杆间距9m。屋面主要荷载取值如表3所示,典型状态下下弦拉索拉力值如表4所示。

表3 屋面主要荷载取值

表4 典型状态下张弦拱架下弦拉索拉力值

本工程张弦拱架上弦钢梁控制截面位于结构中段,最不利内力组合为半跨活荷载作用下产生,最大轴压力约2 200kN、弯矩约1 000kN·m、控制应力比为0.8左右。正常使用极限状态下,从零状态起算的挠度值最大为213.3mm,约为跨度的1/295,满足规范限值1/250,如图8所示。

图8 正常使用极限状态结构挠度/mm

3.2.3 屋盖结构稳定分析

本工程主要采用考虑几何非线性的荷载-位移全过程分析法(二阶P-Δ弹性分析法)进行计算设计。由3D3S软件计算得到的第一阶线性稳定屈曲模态如图9所示,主要为张弦拱架上弦拱形钢梁(压弯构件)的平面外失稳,其线性稳定系数(屈曲时荷载与恒加活荷载标准组合的比值)为10.7。

图9 第一阶线性稳定屈曲模态

在模型中按第一阶屈曲模态施加初始缺陷,最大缺陷值为210mm(取跨度的1/300),计算得到考虑几何非线性的稳定极限承载力与恒加活荷载标准荷载组合的比值为4.52。

利用研制的晶体管直流增益在线测试系统，以BCX41和3CK3B两种晶体管器件作为试验样品，在CFBR-II堆上开展了不同中子辐照注量效应试验，分别获得了辐照功率为2，20，200 W下晶体管的直流增益变化趋势，结果如图8—图10所示。

3.2.4 整体结构分析

1#展厅整体模型如图6所示。钢屋盖与下部钢筋混凝土结构的连接主要采取设置铅芯橡胶支座(隔震支座)的连接方式,在正常使用情况下能为下部结构提供一定的侧向刚度,并有效释放温度应力;在地震作用下则可以减小因设置配重引起的不利效应。

整体模型的建立可以较准确地计入钢屋盖对下部结构动力特性的影响及下部结构对屋盖张弦拱架的影响,达到工程设计精度要求［10-11］,屋盖前三阶振型见图10。

图10 整体计算的前3阶振型/mm

4 5#展厅结构设计

5#展厅位于地块东侧,地下1层,地上2层,局部3层,房屋平面长度235m,宽度53m,建筑高度 23.7 m(坡屋面中点标高),首层层高 6 m。下部采用钢筋混凝土框架结构,屋面采用钢屋盖结构。

4.1 结构特点与结构选型

4.1.1 混凝土结构

下部混凝土结构平面为矩形,长度为202.5m,宽度约为37.8m。主要柱网为9m×9.9m,中庭大开洞。一层中庭东西两列为三分叉混凝土柱,至二层楼面后远离中庭的混凝土斜柱,继续往上支撑三层楼面直至屋面;靠近中庭的混凝土斜柱则在二层楼面转换为两层通高钢斜杆以支撑钢结构屋盖,剖面如图11所示,其中东立面为通高A字形混凝土柱。

图11 5#展厅剖面图

采用大型通用软件YJK对结构温度效应进行有限元分析,混凝土楼板采用弹性板单元,考虑±25℃温差效应,计算结果见图12,由图可见,洞口沿结构长度方向的两侧楼板及楼梯间附近楼板出现应力集中,应力较大,需加强相应位置的楼板厚度及配筋,并且设置多道施工后浇带。同时根据温度荷载作用下的内力图显示,沿结构长度方向中部的框架梁及斜柱位置处轴力较大,需加强此部位框架梁腰筋。

图12 楼板温度应力云图/MPa

采用YJK软件进行整体模型分析,整体计算模型见图13。混凝土框架根据建筑立面及内部造型要求设置较多斜柱,在楼层及顶部设置框架梁,形成较强框架结构,提供较强抗侧刚度。整体计算结果表明前两阶模态分别为X、Y向平动,第三阶模态为扭转,且较好地控制5%偶然偏心下扭转位移比,使其不超过1.4。

图13 整体模型

4.1.2 钢结构屋盖

本工程屋盖为四个方向坡度较缓的弧形金属屋面,投影长度为235m,宽度为53m,采用钢结构屋盖。屋盖东西两侧檐口悬挑10～12m,南侧设置滑动支座落于配套服务中心一屋面,北侧悬挑端支撑于贝壳造型钢架上。

屋盖结构计算所采用的结构有限元软件主要为3D3S14.1,屋面恒荷载为1.0kN/m2(金属屋面)、1.5 kN/m2(玻璃屋面);不上人屋面活荷载为0.7kN/m2;温度作用按±25℃考虑。

钢结构屋盖利用室内吊顶高度并顺应建筑檐口幕墙造型,在大悬挑端设置钢桁架,中部设置钢梁,即钢梁+悬挑钢桁架的结构形式,用钢量为60kg/m2,既体现结构方案的经济性,又能很好地满足建筑造型。钢屋盖典型剖面见图14。

图14 钢梁+悬挑桁架布置

图15为钢结构屋盖主要构件的应力比。应力比最大值控制在0.88,主要分布于0.30～0.70,满足应力比小于规范限值1.0的设计要求。图16 为恒荷载+活荷载下屋盖钢结构变形图,最大位移为47.8mm,挠度为 1/317 ,满足最小挠度限值1/250的要求。

图15 屋盖应力比

图16 屋盖变形/mm

4.2 结构分析重点

4.2.1 贝壳钢架设计

展厅北侧结合建筑贝壳造型,设置竖向钢架,见图17。在标高16.000m处设置系杆与主体混凝土连接,增加钢架侧向刚度。上端与主体屋盖悬挑端相连,钢架与屋盖连接及柱脚方案比选如表5所示。

表5 钢架连接方案比选

图17 幕墙支撑钢架立面图

根据比选结果,除方案五外,其余方案的位移及变形均能满足规范要求。考虑结构的可靠性及施工的便利性,钢架柱顶与屋盖桁架铰接,对钢架柱脚进行适当简化,采用方案四铰接节点。

图18(a)为屋盖端部设置水平支撑前后角部位移对比,角部最大位移为34.73mm,挠度为1/276,满足规范1/250要求［12］;图18(b)未设置屋面端部水平支撑角部最大位移为67.85mm,挠度为1/141,不满足规范要求。因此屋盖北侧悬挑端及内伸一跨均设置水平支撑,与幕墙钢架可形成整体。

图18 设置水平支撑前后角部Z向位移对比/mm

4.2.2 钢筋混凝土分叉柱节点分析

钢筋混凝土分叉柱的节点几何形状和受力形式比较复杂,需要进行详细的节点分析。采用非线性分析专用软件MIDAS FEA,混凝土单元为实体单元,钢筋为线单元,混凝土受压模型采用Thorenfeldt硬化模型,受拉模型采用linear线性模型,钢筋采用von-Mises弹塑性模型。

分叉柱节点模型的边界条件尽量接近实际结构中的受力状态。柱底固接,四周水平梁反弯点处设置竖向可移动铰,分叉柱顶面为加载端,各构件加载值见表6。

表6 大震弹性各构件内力

采用建立的实体单元模型进行非线性分析(图19)。分析结果显示混凝土单元最大压应力在FCZ1,约24 MPa(图20(a)),最大拉应力在分叉柱交界处,约5.58 MPa(图20(b)),超过了C30混凝土轴心抗压强度标准值,但总体占比小,综合看,大震弹性下混凝土分叉柱处于安全工作状态。

图19 混凝土分叉柱节点混凝土、钢筋有限元模型

图20 混凝土分叉柱节点主轴主应力/(N/mm2)

纵向钢筋单元的应力结果(图21(a)),最大应力发生在分叉柱的下部,折算应力约为300MPa,小于钢材的屈服强度360MPa。节点的混凝土出现局部开裂情况(图21(b)),主要受裂缝面处的法向应力引起,综合来看,混凝土单元以部分开裂分布占优,完全开裂单元很少,混凝土受力处于安全状态。

图21 钢筋等效应力云图及混凝土裂缝状态

同时,小震及正常使用工况下有限元分析结果显示,节点处混凝土和钢筋均远未达到屈服强度,节点设计满足要求。

5 结论

(1)综合结构合理性、经济性及与建筑契合度等因素,1#～3#展厅屋盖采用上承式张弦拱架体系,该结构体系新颖、受力明确、传力途径清晰、与建筑契合较好。5#展厅采用钢梁+悬挑桁架的屋盖结构形式,既满足建筑造型,又有较好的经济性。

(2)合理选择构件截面、索截面及初始张力等关键参数,对张弦拱架结构设计至关重要。

(3)建立正确整体模型,充分考虑大跨张弦结构与下部结构的相互影响。

(4)针对超长结构,通过充分考虑温度效应、设置后浇带、局部加强等综合措施控制混凝土结构裂缝及钢构件应力。

(5)对复杂的混凝土分叉柱节点有限元分析结果表明节点能满足大震弹性要求。