吳云緩

(上海江歡成建筑設(shè)計(jì)有限公司,上海 200070)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂方案分析與思考

吳云緩

(上海江歡成建筑設(shè)計(jì)有限公司,上海 200070)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂建筑因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式不同,很大程度上影響建筑造型和經(jīng)濟(jì)造價(jià)。本文結(jié)合會(huì)展中心結(jié)構(gòu)方案的建立和設(shè)計(jì),探討了大跨度空間結(jié)構(gòu)的兩組結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比和優(yōu)化。文中采用合理的結(jié)構(gòu)內(nèi)力來(lái)表現(xiàn)建筑外形的設(shè)計(jì)手段對(duì)同類建筑的實(shí)施具有一定的參考價(jià)值。

大跨度;結(jié)構(gòu)體系;巨型桁架;索結(jié)構(gòu)

1 前言

圖 1 杭州國(guó)際會(huì)展中心建筑方案效果圖

2 建筑思想

該項(xiàng)目委托曾經(jīng)設(shè)計(jì)上海大劇院的法國(guó)夏邦杰建筑事物所進(jìn)行建筑方案設(shè)計(jì)。根據(jù)功能要求,會(huì)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(méi)有給出具體的方案。這樣,雖然對(duì)結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō),有較大的自由設(shè)計(jì)空間,同時(shí)也提出了一個(gè)大難題:如何構(gòu)成這個(gè)“蝴蝶”? “蝴蝶”軀干如何形成? “蝴蝶”翅膀怎么展開(kāi),飛舞?軀干與翅膀如何連接,而且連接得牢固?從力學(xué)原理出發(fā),要求結(jié)構(gòu)盡可能得簡(jiǎn)潔明了,傳力途徑越簡(jiǎn)單越直接越好。這樣,又往往與建筑思想有沖突,但最終結(jié)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)建筑意圖服務(wù)的。這一對(duì)矛盾在本項(xiàng)目中顯得尤為突出。

3 結(jié)構(gòu)體系

基于上述特點(diǎn)和建筑構(gòu)思,經(jīng)過(guò)思考分析,漸漸趨向于:在平面上采用兩個(gè) 220m×50m的梭形體并排連接成一個(gè)“蝴蝶”,如圖 2所示。每個(gè)梭形體有兩個(gè)巨型拱組成,呈張開(kāi)口的蚌殼形,脊背朝下,口朝上,從側(cè)面看象倒“人”字形,如圖 3所示。

整個(gè)結(jié)構(gòu)的骨架有四榀大跨拱形成,其空間圖形如圖 4所示。

圖 4 結(jié)構(gòu)空間布置圖

為了形成“蝴蝶”身軀,兩個(gè)梭形體不能太靠近。這樣,整體側(cè)向水平剛度將成為薄弱環(huán)節(jié)。兩個(gè)梭形體之間的聯(lián)結(jié),也成為結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)難點(diǎn)之一。

梭形體屋面橫切面為下懸線,縱切面為上凸圓弧線。結(jié)構(gòu)的側(cè)面玻璃幕墻以豎向受力構(gòu)件將外邊拱大與地連,從而形成一個(gè)整體。屋面體系,側(cè)面承力體系及巨拱體系有多種方案。經(jīng)過(guò)可行性分析研究,認(rèn)為有兩種方案比較具有綜合優(yōu)勢(shì),分析如下:

3.1 剛性結(jié)構(gòu)體系(方案一)

方案一中 4個(gè)巨拱為空間鋼桁架形式,與地面鉸接,主要承受壓力,是整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向支撐體系。側(cè)面幕墻為懸掛體系,玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件從外邊巨拱上“懸掛”下來(lái),與地面鉸接,主要受拉和受彎,抵抗水平風(fēng)載和幕墻的動(dòng)荷載,并起到整體穩(wěn)定作用。屋面結(jié)構(gòu)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(wǎng)架。整個(gè)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖 5。

圖 5 剛性結(jié)構(gòu):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(jié)構(gòu)受力的合理性。前者要求呈橢圓形,對(duì)后者的要求則懸鏈線最為理想,可以使巨型桁架的各個(gè)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(gè)形狀曲線。參見(jiàn)圖 6。

俄聯(lián)邦工商會(huì)國(guó)際商業(yè)仲裁法庭的德米特里·奧格羅多夫法律博士認(rèn)為，人工智能和機(jī)器人立法涉及交叉學(xué)科的問(wèn)題，需要系統(tǒng)地研究人工智能系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)的法律成熟度、管理機(jī)器人技術(shù)和人工智能系統(tǒng)的法律機(jī)制、人工智能技術(shù)系統(tǒng)和機(jī)器人的法人資格。機(jī)器人的法律責(zé)任及其錯(cuò)誤應(yīng)該由其所屬者或者使用人承擔(dān)。

本方案采用 SAP2000有限元程序進(jìn)行了分析,考慮了豎向荷載和橫向風(fēng)荷載的組合。由于處于 6度抗震設(shè)防烈度地區(qū),暫時(shí)不考慮地震作用。計(jì)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(wěn)定作用的斜撐組成空間立體鋼桁架;

(3)屋面結(jié)構(gòu)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(wǎng)架;

(4)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)骨架荷載由屋面外邊巨拱負(fù)擔(dān),此時(shí)與地面豎向滑動(dòng)鉸支座連接。而玻璃部分荷載則由外邊巨拱與地面共同負(fù)擔(dān)(也就是與地面固定鉸支座連接)。

分析結(jié)果如表 1:

圖 6 巨型桁架曲線找形比對(duì)

表 1 剛性方案計(jì)算分析結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出:

(1)對(duì)于 220m的跨度,結(jié)構(gòu)的自重成為關(guān)鍵。用鋼量越大,重量就越大,引起的結(jié)構(gòu)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(shí)抗風(fēng)等穩(wěn)定性減弱。本案在用鋼量 120kg/m2處找到了平衡點(diǎn),最大位移控制在 1/300以內(nèi)。

(2)兩側(cè)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(tǒng)玻璃幕墻骨架壓彎受力特性成為拉彎受力,從而進(jìn)一步減少了兩側(cè)面玻璃幕墻的用鋼量。

(3)兩側(cè)玻璃幕墻的骨架對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向穩(wěn)定貢獻(xiàn)很大。

(4)好的結(jié)構(gòu)空間輪廓受力清楚,縮小了桿件設(shè)計(jì)截面,從而節(jié)約用鋼量,同時(shí)滿足建筑功能需求。

3.2 柔性結(jié)構(gòu)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(gè)幾何不變體系,見(jiàn)圖7。本方案采用ANSYS有限元程序進(jìn)行了分析。

計(jì)算分析采用了如下假定:

圖7 柔性結(jié)構(gòu):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(yù)應(yīng)力按在初應(yīng)變施加,計(jì)算中考慮大變形影響。

(3)加載順序?yàn)?先加結(jié)構(gòu)自重及索的預(yù)應(yīng)力,再加恒載及屋面或荷載。

經(jīng)過(guò)對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置和反復(fù)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)由于外拱平面外的變形使結(jié)構(gòu)發(fā)生很大位移,屋面穩(wěn)定索中的預(yù)應(yīng)力消耗巨大,幕墻索中的應(yīng)力又分布極不均勻,這些因素造成結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)。在內(nèi)外拱之間設(shè)置兩根剛性聯(lián)系梁后,可緩解應(yīng)力集中,減小結(jié)構(gòu)位移。用鋼量控制在 240kg/m2左右。如果拱采用鋼筋混凝土,結(jié)構(gòu)用鋼量可降為180kg/m2。

4 總結(jié)

綜合以上兩個(gè)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(jié)構(gòu)用鋼量也要 180kg/m2。

(2)結(jié)構(gòu)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(yīng)基礎(chǔ)的材料消耗也越大

(3)類似方案一(立體桁架+單層曲面網(wǎng)架)的國(guó)內(nèi)施工相對(duì)比較成熟,而方案二,要按設(shè)計(jì)準(zhǔn)確施工,由于每根索的長(zhǎng)度不等,通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力來(lái)確定初期結(jié)構(gòu)形狀,施工難度巨大

從直觀上看,拱擅長(zhǎng)受壓,索擅長(zhǎng)受拉,方案二的柔性結(jié)構(gòu)體系結(jié)合了這兩種結(jié)構(gòu)類型,具有優(yōu)勢(shì),但是經(jīng)過(guò)在用鋼量,支座反力影響基礎(chǔ)對(duì)策以及施工難易度等比較,最后基本確定方案一為本結(jié)構(gòu)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(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。從事空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。