成都新世纪环球中心_中央游艺区钢结构屋盖设计

第43卷第10期2013年5月下建筑结构BuildingStructureVol．43No．10May2013成都新世纪环球中心·中央游艺区钢结构屋盖设计吴昌根1，邢遵胜2，徐德号2，王泳1，魏捷1，刘中华2(1广州容柏生建筑结构设计事务所，广州510170;2浙江精工钢结构有限公司，绍兴312030)［摘要］成都新世纪环球中心·中央游艺区钢结构屋盖是目前世界上建成的规模最大的横断面为半圆形的超大跨度建筑。通过对比分析，详细介绍了工程结构体系的选型过程，分析了结构的受力特点，并对一些特殊参数的取值进行说明。在结构设计阶段，根据杆件的重要性程度设定不同的控制标准，较好地兼顾了结构的安全性和经济性。对拱形结构及主次桁架+单层网壳结构体系受力特点进行了分析，可为类似工程提供参考。［关键词］拱形结构;大跨结构;大悬挑;整体稳定;计算长度系数;单层网壳中图分类号:TU393.3文献标识码:A文章编号:1002-848X(2013)10-0006-05SteelroofdesignforChengduNewCenturyGlobalCenterCentralEntertainmentAreaWuChanggen1，XingZunsheng2，XuDehao2，WangYong1，WeiJie1，LiuZhonghua2(1RBSArchitectureEngineeringDesignAssociates，Guangzhou510170，China;2ZhejiangJinggongSteelBuildingCo．，Ltd．，Shaoxing312030，China)Abstract:ThesteelroofforChengduNewCenturyGlobalCenterCentralRecreationAreaisasuper-largespanstructurewiththebiggestsemicircularsectionintheworld．Throughcomparativeanalysis，theselectionofthestructuralsystemandthestresscharacteristicswereanalyzedwhilesomespecialparametervaluesweredescribed．Differentcontrolcriteriaweresetaccordingtotheimportanceofstructuralmembersinordertoconsiderthesafetyandthecost．Theanalysisofarchstructuresandprimary-secondarytrussesreinforcedsinglelayerreticulatedshellstructureprovidesreferencesforthesimilarprojects．Keywords:archstructure;largespanstructure;hugecantilever;overallstability;effectivelengthfactor;singlelayerreticulatedshell作者简介:吴昌根，工程师，Email:[e-mail]。1工程概况图1新世纪环球中心整体鸟瞰图成都新世纪环球中心·中央游艺区钢结构工程位于成都市南门外、新会展中心东侧的城市生态公园内。钢结构屋盖壳体长为443.4m，结构跨度为155～194m，结构最高点为98m，投影面积为8万m2。屋盖横断面为半圆形，由18榀倒三角形拱桁架组成，拱桁架弦杆规格均为圆钢管，落地拱桁架杆件最大截面为1700×40，材质均为Q345B，其中南、北两侧分别有39，26m的大悬挑，东侧游艺区入口处布置有大跨度悬挑雨棚。屋盖东西两侧底部有4～7层混凝土结构的酒店裙房，四周为外圈商业、酒店和写字楼，各个部分在结构体系上是相互独立的，整体鸟瞰图如图1所示。2屋盖结构选型本工程体量大、高度高、跨度大，且主体结构超长，建筑外形独特，建筑造型为中间顶点高度最高，向两侧高度逐步降低，如图1所示。经过对比分析，初步选定结构的主受力构件为沿横向布置的18榀半圆形主拱桁架，主拱桁架分别布置于图2所示的各条轴线上。由于屋盖结构壳体超长，设计时根据建筑的功能布局和结构的几何形态，设置两条温度缝，将屋盖划分为3个独立的结构单元，其分区及温度缝位置如图2所示。图2结构设缝及屋盖分区示意图第43卷第10期吴昌根，等．成都新世纪环球中心·中央游艺区钢结构屋盖设计对屋盖的结构体系，重点对比了以下两种方案(以屋盖一为例)。方案一如图3所示，为横向主拱桁架+纵向次桁架+拉索+檩条的结构体系，主受力体系为主次桁架。方案二如图4所示，由横向主拱桁架+纵向次桁架+拉索+单层网壳屋檩体系构成。两种结构体系各自的优缺点对比见表1。图3方案一图4方案二两种结构体系优缺点对比表1方案内容方案一优点屋盖整体刚度较大，结构构架规整，传力路径简单、明确缺点次桁架较密，加上檩条系统，屋盖结构杆件数量多，对于玻璃屋面而言不美观，且通透性差方案二优点1)单层网壳斜交屋檩体系直接可作为玻璃屋面的支撑结构，外形统一，尺寸相近，建筑效果较佳;2)屋盖整体刚度大，单层网壳作为主次桁架间的连接结构，主平面内刚度较大，可以为主次桁架上弦提供较强的侧向约束，且屋面荷载可通过网壳斜向传递给主次桁架，局部构件破损后，可通过其他路径传递荷载，对主体结构的防连续倒塌有利缺点1)单层网壳部分平面外刚度差，需采取措施，防止单层网壳平面外失稳;2)单层网壳矢跨比1/15～1/14，拱壳效应不明显如表1所述，方案一为常规的空间屋盖结构形式，该结构方案对于本工程这样外形独特、超大跨度的半圆形超长结构而言，没有什么突出的优点，且次桁架和屋面檩条系统的杆件过于密集，视觉效果不佳。虽然其结构整体刚度较大，传力简单，但对于以游艺休闲为主的建筑而言并不是最佳方案。方案二结构体系的受力系统为主次桁架+单层网壳屋檩体系，其整体承载力高、刚度大。单层网壳屋檩体系作为屋盖玻璃的支撑结构，其网格分布均匀、规律，视觉效果好。经过对两个方案的整体受力分析和经济性评估，并采纳国内知名专家和超限审查咨询的建议，最终选定方案二为本工程的结构体系，如图5所示，屋盖由横向18榀倒三角拱桁架+5道纵向倒三角次桁架+主次桁架间单层网壳+拉索构成，其主拱桁架编号及桁架平面布置如图6所示。由于屋盖东西两侧柱脚均位于混凝土结构的裙房范围内，受空间限制，除屋盖二○01轴和②轴拱脚图5结构整体三维模型轴测图图6主拱桁架编号及桁架平面布置图为三角桁架外，其余轴线的拱脚分别从封边次桁架向下转变为平面桁架落地。为增强平面桁架拱脚的侧向约束，将两道封边次桁架由倒三角形桁架改为四边形桁架，以增强拱脚的稳定性。主次桁架的截面形式及基本尺寸如图7所示。此外，从封边桁架至拱脚范围考虑在管桁架弦杆内灌注自密实混凝土，以增强弦杆的刚度和受压承载力，利用钢管混凝土良好的受力性能来提高屋盖结构的承载能力和整体稳定性。图7主次桁架截面形式及尺寸屋盖二东侧○01轴与②轴之间45.4m跨范围为中央游艺区入口，为增强该范围内结构的整体刚度，同时为次桁架提供较强的侧向支撑，增强结构的整体稳定性，考虑在①轴处设置1榀横向拱形次桁架。该横向次桁架分别与5榀纵向次桁架相连，见图6。3设计荷载及控制指标3.1设计荷载根据国家现行规范、规程，确定钢结构屋盖分析和设计所采用的参数如下:设计基准期为50年，结7建筑结构2013年构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为一级。鉴于本工程结构的重要性和复杂程度，风荷载和雪荷载按照100年一遇来取值。(1)恒荷载:玻璃屋面及龙骨重量取0.9kN/m2;马道荷载取2.0kN/m(施加于主次桁架下弦杆件上)。(2)活荷载:0.5kN/m2;根据使用功能考虑吊挂灯具、设备等的吊挂荷载。因单层网壳平面外刚度小，限定吊挂荷载必须施加在主次桁架上，且使用过程中不得在单层网壳上吊挂重物。(3)风荷载:基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B类。由于周边存在高层建筑，且体型复杂，体型系数按风洞试验结果［1］取用，并与荷载规范［2］中封闭式拱形屋面体型系数对比取较大值。(4)温度荷载:取使用阶段环境最高和最低温度与钢结构安装合拢温度的差值，拟定合拢温度为(20±5)℃，升温和降温荷载均取30℃。(5)雪荷载:基本雪压0.15kN/m2，雪荷载需同时考虑全跨分布、半跨分布等不利情况。(6)地震作用:依据抗震规范［3］，并考虑场地地震安全性评价报告［4］的结果，选取地震作用的基本参数。本工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.10g，场地类别为Ⅱ类。如图8所示，规范谱的水平地震影响系数最大值αmax=0.1055，小于安评谱的0.1295，安评谱的特征周期Tg=0.40s，规范谱为0.45s，使得规范反应谱的衰减段(0.45～2.25s)被安评谱包络。因此，用安评谱计算的地震作用要大于规范谱计算的地震作用，在分析时取安评谱进行计算。图8规范与安评反应谱比较(阻尼比0.02)3.2控制指标钢屋盖抗震性能按表2进行计算分析。进行结构构件的截面设计时，应根据构件的部位、重要性和局部杆件失效后对结构整体的影响，采取分级控制的原则，对不同位置、不同类型的构件分别设定安全钢结构屋盖抗震性能、分析方法及控制标准表2抗震设防水准第一水准(小震)第二水准(中震)第三水准(大震)抗震性能不破坏不破坏不倒塌地震影响系数0.080.230.50水平地震加速度/gal35100220分析方法反应谱法为主，时程法补充计算反应谱法为主，时程法补充计算时程法计算控制标准按弹性设计主桁架按弹性设计主桁架不屈服，支撑弹性杆件应力比控制指标表3分析工况主桁架次桁架弦杆腹杆弦杆腹杆网壳静力分析0.70.750.750.80.8多遇地震0.750.80.80.850.85中震弹性0.90.91.01.01.0罕遇地震1.01.0允许屈服允许屈服允许屈服性指标。杆件应力比控制指标见表3。4单榀拱桁架受力特点分析本工程的主受力构件为横向拱桁架，其形状为半圆形，与理想拱的受力特点区别较大。选取屋盖二位于○03轴和④轴上的边桁架ZHJ-7为例，采用SAP2000软件分析其在恒荷载作用下的受力特点，计算模型如图9所示。图9边桁架ZHJ-7计算模型SAP2000输出的桁架内力云图如图10，11所示。在恒荷载作用下，拱桁架弦杆的受力情况规律性变化，拱桁架上弦杆在拱顶部受压，向两侧压力逐渐变小，至腰部变为受拉，但拉力较小，至拱脚则转变为受压，且上弦杆拱脚压力最大;拱桁架下弦杆在拱顶部受拉，向两侧拉力逐渐变小，至腰部变为受压，且压力较大，至拱脚则转变为受拉，且下弦杆拱脚拉力最大。拱桁架上部弯矩均较小，而拱脚位置的弯矩比较大。通过以上受力特点分析可以看出，下弦杆腰部、下弦杆拱脚、上弦杆拱脚为结构受力较大的3个部位。恒荷载作用下拱脚处弦杆受力最大，最大拉力为5080kN，最大压力为12000kN，主平面内最大弯矩为6550kN·m。针对这3个重要部位，在设计时下8第43卷第10期吴昌根，等．成都新世纪环球中心·中央游艺区钢结构屋盖设计图10轴力云图图11主平面内弯矩云图弦杆腰部和下弦受拉部位按圆钢管、拱脚按钢管混凝土杆件进行复核验算。5非严格对称拉索的设置主受力结构为横向拱桁架，拱桁架之间以次桁架和单层网壳相连，这种结构体系的横向(拱桁架平面内方向)刚度很大，但纵向(拱桁架平面外方向)在封边桁架以下刚度偏弱。因此考虑沿结构的纵向设置预应力拉索，在每榀拱桁架下弦杆与封边次桁架下弦杆相交处，向平面外方向分别设置两根拉索，拉索与地面基础相连，以增强结构沿横向的抗侧刚度。由于钢结构屋盖东西两侧均有多层混凝土框架，拱脚在混凝土建筑顶部附近由倒三角形桁架过渡为平面桁架，并沿混凝土结构留出的空间伸入基础承台。东西两侧的混凝土建筑层数不同、顶标高不一样，使得拱桁架两端由倒三