黄河口模型试验厅新型张弦网壳组合结构设计

第43卷第10期2013年5月下建筑结构BuildingStructureVol．43No．10May2013黄河口模型试验厅新型张弦网壳组合结构设计卢清刚1，耿笑冰2，李文峰1，吴金志3(1北京市建筑设计研究院有限公司，北京100045;2北京龙安华诚建筑设计有限公司，北京100053;3北京工业大学空间结构研究中心，北京100124)［摘要］黄河口模型试验厅工程是一座水利模型试验建筑，设计中采用了148m跨度的新型张弦网壳组合结构，较好地实现了建筑功能及造型的需求。基于工程实践，全面介绍了工程结构设计中的关键技术问题，涉及结构选型、张拉应力的合理控制、特殊支座的处理、设计施工一体化计算分析、抗风设计、大震弹塑性设计、防连续倒塌设计。在设计过程中，利用Rhinoceros软件建立了大跨度张弦网壳结构的三维空间几何模型，进行了风洞试验和风致振动分析，基于整体结构的三维地震作用、重力荷载作用、雪荷载作用、等效风荷载作用及温度作用下的结构响应分析，验证了该结构的可靠性、安全性、合理性。［关键词］大跨度结构;张弦网壳组合结构;设计施工一体化中图分类号:TU393.3文献标识码:A文章编号:1002-848X(2013)10-0011-05DesignonhybridstructurescomposedoftrussstringsandreticulatedshellofYellowRiverEstuaryModelHallLuQinggang1，GengXiaobing2，LiWenfeng1，WuJinzhi3(1BeijingInstituteofArchitecturalDesignCo．，Ltd．，Beijing100045，China;2BeijingLONGANHUACHENGArchitecturalDesignCo．，Ltd．，Beijing100053，China;3SpaceStructureResearchCenter，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)Abstract:YellowRiverEstuaryModelHallisahydrodynamicmodelbuilding．Hybridstructurescomposedoftrussstringsandreticulatedshellwiththespanof148metersisadopted，whichmeetsthedemandofbuildingfunctionandappearance．Keytechnologieswerepresented，suchastheselectionofstructuretype，controloftensionstress，treatmentofspecialsupports，analysisofdesign-constructionintegration，wind-resistantdesign，elastic-plasticdesignunderrareearthquakeandcontinuouscollapsepreventiondesign．Three-dimensionalmodelofthelargespanstructurewasestablishedwiththeRhinocerossoftwareindesign．Windtunneltestandwind-inducedvibrationanalysiswerecarriedout．Structuralresponsesunderthree-dimensionalseismicaction，gravityload，snowload，equivalentwindloadandtemperatureeffectwereanalyzed．Theresultsverifythereliability，securityandrationalityofthestructure．Keywords:largespanstructure;hybridstructurecomposedoftrussstringandreticulatedshell;design-constructionintegration作者简介:卢清刚，高级工程师，一级注册结构工程师，Email:[e-mail]。1工程概况黄河口模型试验厅位于山东省东营市东城广利河南岸，是一座水利模型试验建筑，2009年建成并投入使用，效果良好。总建筑面积45333m2，由海域A厅、海域B厅及河道厅3部分组成，其中河道部分2800m2，海域部分42290m2。河道部分跨度24m，长约100m;海域部分平面呈扇形，屋盖为三维曲面，扇形圆心角为98°，外圆弧长232m，内圆弧长84m，跨度148m，由A和B两个独立部分组成，海域B厅靠近河道厅一侧较高，其整体效果如图1所示。本文重点介绍海域B厅的设计情况。海域部分屋面左右高低错落，由左右两部分组成，接合处设防震缝兼温度缝，最高点结构标高32.5m，高跨分别为24m和18m;低跨分别为19m和13m。左半部分为海域A厅，采用三层焊接球网架图1整体效果图结构，最大跨度96m，网架厚度9m，屋面标高26m;右半部分为海域B厅，为一类超大跨度空间结构建筑，跨度为148m，其几何外形扁平，结合建筑的剖面造型，径向沿轴线布置焊接球节点张弦桁架结构，环向则结合主桁架的上弦节点，设置环向焊接球网架，建筑结构2013年张弦桁架与环向连系网架组成新型张弦网壳组合结构。张弦网壳组合结构支承于下部型钢混凝土排架结构，支座低端与型钢混凝土框架柱柱顶铰接连接，支座高端与型钢混凝土框架柱柱顶采用弹簧支座连接(图2)。张弦结构是一种自平衡结构，由上弦拱架产生的支座推力被索张力平衡，从而降低对下部型钢混凝土排架结构抗侧力性能的要求，采用弹簧支座可以有效减小结构超长产生的温度作用。图2高端弹簧支座构造图图3张弦网壳结构轴线框架图2结构选型本工程海域B厅主体结构为型钢混凝土排架结构，屋盖为新型张弦网壳组合结构，采用桩基础，结构布置如图3，4所示。结构设计使用年限50年，结构安全等级为一级，建筑抗震设防标准为重点设防类，工程抗震设防烈度为7度，设计地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅲ类，地基基础设计等级为乙级。屋盖张弦网壳结构平面呈扇形，支座跨度为148m，环向轴线尺寸外环约为25m、内环约为9m。上部网壳厚度3.0～4.5m，约为结构跨度的1/50～1/30［1］，撑杆长度4.175～13.3m，沿轴线布置，张弦结构的垂度为15m，为结构跨度的1/10，下部拉索为337根7的高强度冷拔镀锌钢丝组成的扭绞型拉索，钢绞线的强度标准值为1570MPa，钢索的破断荷载为20000kN，钢索外包PE保护层。为保证张弦网壳组合结构的平面外稳定，沿环向在两侧各1/3位置设置了稳定索，稳定索为16的单股钢丝绳，上端与网壳下弦节点相连接，下端与撑杆节点相连接(图5)。下部型钢混凝土排架柱截面为1500×2500，高端高度为18.8m，低端高度为12.771m(图3)。屋盖结构杆件质量1210t，索质量120t，球节点质量241t，支座节点质量93t，结构总质量1664t，建筑面积20500m2，单位面积用钢量81.2kg/m2(不含屋面檩条，重6kg/m2)，与同类工程相比用钢指标较为经济。屋盖结构杆件截面尺寸见表1。屋盖结构杆件截面尺寸表1径向网壳杆件环向网壳杆件撑杆299×12，18，20;480×12，16，25;114×4;133×4;140×4.5;159×6，8，12;219×10，12，1689×4;114×4;140×4.5;159×6，8，10，12;219×10219×6;245×10;351×12注:杆件材质均为Q345B。3结构设计条件3.1结构安全等级及结构重要性系数本工程结构安全等级为一级，结构的重要性系数γ0=1.1。3.2荷载条件杆件自重由程序根据杆件尺寸自动计算，节点重量按杆件自重的30%考虑。屋面上弦恒荷载为0.20kN/m2，天窗部分屋面上弦恒荷载为0.50kN/m2，下弦吊挂恒荷载为0.10kN/m2;屋面活荷载为0.30kN/m2，分布按5种工况(满布、上半跨、下半跨、左半跨、右半跨)考虑;温度作用按±25℃考虑，施工合拢温度为15℃左右;采用振型分解反应谱法，结构阻尼比取0.02;50年一遇的基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风振系数综合考虑风致振动分析结果取1.6，体型系数、高度变化系数取风洞试验和《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版)两者的包络值，共12组21第43卷第10期卢清刚，等．黄河口模型试验厅新型张弦网壳组合结构设计图4张弦网壳结构平面简图图5稳定索下端连接节点风向作用。3.3荷载组合1)1.2恒+1.4活;2)1.35恒+0.7×1.4活;3)1.2恒+1.4活+1.4×0.6风+0.2温;4)1.2恒+0.7×1.4活+1.4风+0.2温;5)1.2恒+0.7×1.4活+1.4×0.6风+1.0温;6)1.2恒+1.4活+负温差;7)1.2恒+1.0温;8)0.8恒+1.4风;9)1.2×(1.0恒+0.5活)+1.3水平地震;10)1.2×(1.0恒+0.5活)+1.3竖向地震;11)1.2×(1.0恒+0.5活)+1.3水平地震+0.5竖向地震;12)1.2×(1.0恒+0.5活)+0.5水平地震+1.3竖向地震。4结构设计关键技术4.1屋盖结构设计标准结构刚度控制标准为:屋盖结构跨中挠度控制小于或等于跨度的1/250，周圈悬挑挠度控制小于或等于跨度的1/125［1］。构件强度控制标准为:非抗震组合和常遇地震下(不包括钢索)的应力与材料设计强度之比控制在0.85以内(图6)，中震作用下构件的应力与材料的屈服强度之比控制在1.0以内。钢索控制标准:非抗震组合和常遇地震下钢索最大内力与其破断力之比控制在0.4以内(相当于628MPa)，中震作用下钢索最大内力与其破断力之比控制在0．6以内(相当于942MPa);在极端情况下，钢索内的最小保有应力不低于50MPa。图6非抗震组合和常遇地震下构件应力比4.2下弦张拉索预应力确定原则预应力度的合理控制是张弦结构设计的关键，本工程按照以下原则确定钢索初始预应力的水平:1)在任何情况下，钢索不退出工作，最小保有应力为50MPa;2)满足结构挠度控制指标;3)调整结构构件的应力水平，满足设计标准;4)钢索张拉完成后，能够使结构自然脱离施工支承。结构平面非对称布置，最终确定从?轴一侧开始，将各根索依次编号，直至轴的8号索，各索的初始张拉力分别为3150，2800，2600，2550，2550，2500，2500，2450kN，应力水平为190～245MPa。4.3抗风设计本工程抗风设计的关键是大跨度屋面体系在负风压下的稳定问题。按风洞试验提供体型系数计算，风吸力大于屋面自重，致使屋架下弦拉力消失而退出工作，结构整体失效。对张弦结构而言，保持下弦始终处于受拉状态是结构存在的必要条件。对下弦施加足够的预应力是一种有效的措施。屋面体系恒荷载标准值约为1.1kN/m2，而风吸力的标准值达1.33kN/m2。按不利组合考虑时，风吸力大于自重，但差值不大。为保持下弦杆处于受拉状态，采用增加配重的方式平衡风吸力，具体是在网壳的下弦杆件(480×12，16，25)中灌注重度为22kN/m3的细石混凝土。为使尽量小的荷载产生较大的下弦索拉力，最有效的灌浆部位是跨中。根据计算确定了需要灌浆的节间数。灌浆在杆件安装前完成，如图7所示。该方法作用明确、简单易行、费用低。31建筑结构2013年图7钢管灌混凝土大样4.4防连续倒塌设计考虑正常荷载设计的屋顶结构，在不增加结构用钢量的前提下，发挥结构的空间受力性能和内力重分布能力，使结构在突发情况下