位翠霞，田繼明，蔣錄珍，顏麗娟（.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 05008；.北京威斯頓建筑設(shè)計(jì)有限公司石家莊分公司，河北石家莊 050000）

天津大跨橢球形展廳結(jié)構(gòu)方案對(duì)比與分析

位翠霞1，田繼明2，蔣錄珍1，顏麗娟1
（1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.北京威斯頓建筑設(shè)計(jì)有限公司石家莊分公司，河北石家莊 050000）

針對(duì)天津某大跨橢球形展廳雙向鋼拱結(jié)構(gòu)和鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)2種方案，對(duì)比、分析了兩種方案的受力性能、剛度特性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、碳排放等。結(jié)果表明，采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行大跨設(shè)計(jì)時(shí)，可保證與雙向鋼拱結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)氖芰π阅埽珓偠?、?jīng)濟(jì)指標(biāo)、碳排放量明顯優(yōu)于雙向鋼拱結(jié)構(gòu)，是此建筑更適合的選擇。

桿件結(jié)構(gòu)；橢球形；鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)；鋼拱結(jié)構(gòu)；方案對(duì)比；剛度；碳排放

1　工程概況

天津北辰區(qū)某會(huì)展中心，大會(huì)議廳與展廳組合一體，展廳設(shè)在會(huì)展中心南側(cè)，大會(huì)議廳設(shè)在會(huì)展中心北側(cè)。展廳建筑外形呈橢球形[1－2]，平面為橢圓形，總建筑面積2 400m2；橢球沿短軸方向的剖面為橢圓，長(zhǎng)軸42m，短軸12m；橢球沿長(zhǎng)軸方向的剖面為橢圓，長(zhǎng)軸72m，短軸12m；長(zhǎng)軸方向最大弧形懸挑長(zhǎng)度4.8m。會(huì)展中心效果圖見圖1。

圖1　天津某會(huì)展中心效果圖Fig.1 Effect drawing of an exhibition center in Tianjin

2　結(jié)構(gòu)選型

為達(dá)到建筑的橢球形效果，該展廳可供選擇的結(jié)構(gòu)方案共有2種形式：雙向鋼拱結(jié)構(gòu)和鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)。

2.1雙向鋼拱結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)方案以沿橢球面短軸方向布置的鋼拱結(jié)構(gòu)為主要承重構(gòu)件，拱間沿長(zhǎng)軸方向布置矩形鋼管作為檁條，檁條兼作結(jié)構(gòu)的縱向支撐桿件，以提高拱的平面外穩(wěn)定性。此外，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防水性能，并增加結(jié)構(gòu)的整體性，以有利于水平荷載的傳遞，在拱頂部設(shè)置方鋼管。橢球體沿短軸方向的剖面為一橢圓弧線，因此沿短軸方向布置的拱為橢圓弧形。由于完全橢圓弧形矢跨比太大，而網(wǎng)殼極限承載力隨著結(jié)構(gòu)矢跨比的減小逐漸減小[3－4]，故在標(biāo)高1.500m下，設(shè)置豎直桿件，標(biāo)高1.500m以上，為完全橢圓弧。

圖2為結(jié)構(gòu)總體布置圖，拱間距8m，大門兩側(cè)需設(shè)置支撐柱，拱間距4m；共設(shè)11榀鋼拱，拱的最大跨度為42m，最小跨度為19.24m；為了實(shí)現(xiàn)兩端大懸挑的效果，設(shè)置橢圓弧形斜梁，斜梁與主梁用雙層方鋼管連接，以滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求[5]。檁條間距根據(jù)鋁板安裝的要求定為1.5m。由于11榀拱的跨度變化較大（19.24～42m），選擇統(tǒng)一的拱截面尺寸經(jīng)濟(jì)性差，截面尺寸種類太多又導(dǎo)致備料加工的不方便，且不美觀。綜合考慮以上因素，根據(jù)拱的不同跨度，采用不同尺寸的組合截面，各桿件截面尺寸見表1。

圖2　雙向鋼拱結(jié)構(gòu)總體布置圖Fig.2 Overall two－way steel arch structure layout

表1　雙向鋼拱結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面尺寸Tab.1 Section size of the bars in two－way steel arch structure

2.2鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)

以沿橢球長(zhǎng)軸方向布置的拱結(jié)構(gòu)為主要承重構(gòu)件，利用會(huì)議廳及展廳中的混凝土柱作為鋼拱支撐，沿橢球短軸布置工字型鋼梁兼做結(jié)構(gòu)的縱向支撐桿件，垂直短軸方向設(shè)置方鋼管作為檁條。圖3為其結(jié)構(gòu)總體布置圖，屋蓋采用壓型鋼板，主鋼梁每隔約7.5m設(shè)置1道，次鋼梁約4m設(shè)置1道，在雨篷處取消次鋼梁，并且雨篷兩側(cè)鋼柱采用箱形柱，抵抗雙向的不平衡彎矩?；炷林鶎⑦B續(xù)橢圓形主鋼梁隔開，形成分段式拱形梁，使每段鋼梁溫度應(yīng)力分配到與之相連的混凝土柱上，從而避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力，造成支座失穩(wěn)甚至結(jié)構(gòu)破壞[6－8]。各構(gòu)件截面尺寸見表2。

圖3　鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)總體布置圖Fig.3 Overall Steel－concrete composite structure layout

表2　鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面尺寸Tab.2 Section size of the bars in steelconcrete composite structure 　mm

3　結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析

3.1基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)分析軟件采用Midas，建立的雙向鋼拱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型同圖2，鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型同圖3。圖2和圖3中所有的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料均采用Q235，混凝土材料采用C30，所有單元均為三維梁?jiǎn)卧??？紤]到拱結(jié)構(gòu)的承載能力對(duì)其邊界條件十分敏感，拱腳支座處的微小變位就會(huì)導(dǎo)致其承載能力的顯著降低[9]，因此圖2和圖3拱支座均設(shè)為固接支座，圖3中梁與混凝土的連接均為固接。

該展廳結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮的荷載[10]有：屋面恒荷載0.32kN／m2，包括鍍鋅冷彎?rùn)_條、PE膜隔氣層、超細(xì)玻璃棉板自重；屋面活荷載0.5kN／m2；屋面雪荷載，50年一遇基本雪壓0.4kN／m2；風(fēng)荷載，50年一遇基本風(fēng)壓0.5kN／m2，地面粗糙類別為B類；地震作用，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）僅需考慮水平地震作用，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期在多遇地震和設(shè)防地震時(shí)，取Tg＝0.55 s[11]；溫度作用[10]，50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫35℃，月平均最低氣溫－12℃，結(jié)構(gòu)最高初始平均溫度20℃，最低初始平均溫度15℃，對(duì)于圖3的鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)，頂部采用分段式拱形梁，每段鋼梁溫度應(yīng)力分配到與之相連的混凝土柱上，溫度應(yīng)力較小，故忽略溫度作用的影響。

3.2結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

雙向鋼拱結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，共考慮了屋面恒荷載＋屋面活荷載、屋面恒荷載＋屋面活荷載＋左風(fēng)、屋面恒荷載＋屋面活荷載＋溫度作用等6種荷載效應(yīng)組合工況[10]。鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，共考慮了屋面恒荷載＋屋面活荷載、屋面恒荷載＋屋面活荷載＋左風(fēng)等5種荷載效應(yīng)組合工況。對(duì)圖2和圖3兩種結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均取決于中間最大跨度的單榀拱，其變形圖分別如圖4和圖5所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖4　雙向鋼拱結(jié)構(gòu)中最大跨度單榀拱豎向變形圖Fig.4 Deformed shape of the longest span arch in the two－way steel arch structure

圖5　鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)中最大跨度單榀拱豎向變形圖Fig.5 Deformed shape of the longest span arch in the steel－concrete composite structure

由表3可以看出，在相同的荷載作用下，鋼筋－混凝土結(jié)構(gòu)和雙向鋼拱結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)方案中構(gòu)件應(yīng)力相差不大，均滿足強(qiáng)度（即安全性）的要求[12－14]。而鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)的剛度約為雙向鋼拱結(jié)構(gòu)的2.3倍，最大豎向變形不到雙向鋼拱結(jié)構(gòu)的43%，且鋼材總用量及單位面積用鋼量節(jié)省約50%，剛度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均明顯優(yōu)于雙向鋼拱結(jié)構(gòu)。

表3　兩種結(jié)構(gòu)方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of results for two structure schemes

3.3碳排放量對(duì)比

建筑的碳排放包括建筑原材料碳排放、運(yùn)輸階段碳排放、施工階段碳排放、建筑正常使用和維護(hù)的碳排放、建筑拆除及回收利用的碳排放[15]。由于此工程為1層，兩種結(jié)構(gòu)方案的施工階段碳排放量差異較小，同時(shí)建筑使用及拆除階段的碳排放與結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)性很小[16]，故本文主要對(duì)該工程的原材料碳排放和運(yùn)輸階段碳排放進(jìn)行分析，以突出對(duì)比兩種不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)建筑碳排放的影響。

在原材料碳排放計(jì)算中，對(duì)于混凝土這種復(fù)合材料，考慮其原材料的碳排放量，分解成水泥、砂、石子（水不考慮排放）3種原材料排放量。本文中的原材料碳排放因子及數(shù)據(jù)均來(lái)源于文獻(xiàn)[15]。在運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算中，鋼材由唐鋼運(yùn)送至天津，鐵路運(yùn)輸115km，公路轉(zhuǎn)運(yùn)30km；其余材料均采用公路運(yùn)輸，水泥、砂、石子由開采地至生產(chǎn)廠的距離為60 km，混凝土由商混站至工地距離為60km。兩種結(jié)構(gòu)方案的碳排放量對(duì)比如表4所示。

表4　兩種結(jié)構(gòu)方案碳排放量對(duì)比Tab.4 Comparison of carbon emission for two structure schemes

由表4可以看出，在同樣滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下，相比于雙向鋼拱結(jié)構(gòu)，鋼－混凝土結(jié)構(gòu)可降低碳排放量359.7t，約合37%，具有明顯的低碳節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

4　結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)橢球形殼體兩種不同的結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

1）采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，相對(duì)于雙向鋼拱結(jié)構(gòu)在受力方面相差不大，而剛度約提高了1.3倍，最大豎向變形不到雙向鋼拱結(jié)構(gòu)的43%。

2）采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，鋼材總用量及單位面積用鋼量比雙向鋼拱結(jié)構(gòu)節(jié)省約50%，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于雙向鋼拱結(jié)構(gòu)。

3）采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，相比于雙向鋼拱結(jié)構(gòu)，可明顯降低結(jié)構(gòu)碳排放量約37%，具有一定的低碳節(jié)能優(yōu)勢(shì)，符合中國(guó)節(jié)能減排的發(fā)展要求。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案的受力性能、剛度特性和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、碳排放等方面的比較，最終確定采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)方案。本文可為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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Comparison and analysis of structure schemes for a large span ellipsoid exhibition hall in Tianjin

WEI Cuixia1，TIAN Jiming2，JIANG Luzhen1，YAN Lijuan1
（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2.Shijiazhuang Branch，Beijing Western Architectural Design Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Aiming at the two design schemes of the two－way steel arch structure and the steel－concrete composite structure for a large span ellipsoid exhibition in Tianjin，the paper compares and analyzes their mechanical behavior，stiffness characteristic，cost－efficiency and carbon emission，etc..The results show that the steel－concrete composite structure used for large span building can gain the mechanical behavior similar to the two－way steel arch structure，but its stiffness characteristic，cost－efficiency and carbon emission are better than that of the two－way steel arch structure，so it is more suitable for the building.

truss structure；ellipsoidal；steel－concrete composite structure；steel arch structure；scheme comparison；stiffness characteristic；carbon emission

1008－1534（2016）01－0073－05

TU391

A

10.7535／hbgykj.2016yx01014

2015－08－20；

2015－10－23；責(zé)任編輯：馮 民

國(guó)家自然科學(xué)基金（51308182）；河北省自然科學(xué)基金（E2014208143）；河北省建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目（2014－226）；石家莊市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（11123511）

位翠霞（1982—），女，河南安陽(yáng)人，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，碩士，主要從事大跨度空間結(jié)構(gòu)方面的研究。

E－mail：kjweicui＠163.com

位翠霞，田繼明，蔣錄珍，等.天津大跨橢球形展廳結(jié)構(gòu)方案對(duì)比與分析[J].河北工業(yè)科技，2016，33（1）：73－77.

WEI Cuixia，TIAN Jiming，JIANG Luzhen，et al.Comparison and analysis of structure schemes for a large span ellipsoid exhibition hall in Tianjin[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（1）：73－77.