大跨度钢结构屋顶方案分析与思考

吴云缓

(上海江欢成建筑设计有限公司,上海 200070)

大跨度钢结构屋顶方案分析与思考

吴云缓

(上海江欢成建筑设计有限公司,上海 200070)

大跨度钢结构屋顶建筑因为结构形式不同,很大程度上影响建筑造型和经济造价。本文结合会展中心结构方案的建立和设计,探讨了大跨度空间结构的两组结构形式的对比和优化。文中采用合理的结构内力来表现建筑外形的设计手段对同类建筑的实施具有一定的参考价值。

大跨度;结构体系;巨型桁架;索结构

1 前言

图 1 杭州国际会展中心建筑方案效果图

2 建筑思想

该项目委托曾经设计上海大剧院的法国夏邦杰建筑事物所进行建筑方案设计。根据功能要求,会议中心的主体空间跨度约:纵向约 220 m,横向 126m,脚支座 33m,高 75 m。外观造型犹如巨大的“蝴蝶”,展翅欲飞,如图 1所示。初始阶段,建筑师并没有给出具体的方案。这样,虽然对结构工程师来说,有较大的自由设计空间,同时也提出了一个大难题:如何构成这个“蝴蝶”? “蝴蝶”躯干如何形成? “蝴蝶”翅膀怎么展开,飞舞?躯干与翅膀如何连接,而且连接得牢固?从力学原理出发,要求结构尽可能得简洁明了,传力途径越简单越直接越好。这样,又往往与建筑思想有冲突,但最终结构是为实现建筑意图服务的。这一对矛盾在本项目中显得尤为突出。

3 结构体系

基于上述特点和建筑构思,经过思考分析,渐渐趋向于:在平面上采用两个 220m×50m的梭形体并排连接成一个“蝴蝶”,如图 2所示。每个梭形体有两个巨型拱组成,呈张开口的蚌壳形,脊背朝下,口朝上,从侧面看象倒“人”字形,如图 3所示。

整个结构的骨架有四榀大跨拱形成,其空间图形如图 4所示。

图 4 结构空间布置图

为了形成“蝴蝶”身躯,两个梭形体不能太靠近。这样,整体侧向水平刚度将成为薄弱环节。两个梭形体之间的联结,也成为结构体系的一个难点之一。

梭形体屋面横切面为下悬线,纵切面为上凸圆弧线。结构的侧面玻璃幕墙以竖向受力构件将外边拱大与地连,从而形成一个整体。屋面体系,侧面承力体系及巨拱体系有多种方案。经过可行性分析研究,认为有两种方案比较具有综合优势,分析如下:

3.1 刚性结构体系(方案一)

方案一中 4个巨拱为空间钢桁架形式,与地面铰接,主要承受压力,是整个结构的竖向支撑体系。侧面幕墙为悬挂体系,玻璃幕墙的结构构件从外边巨拱上“悬挂”下来,与地面铰接,主要受拉和受弯,抵抗水平风载和幕墙的动荷载,并起到整体稳定作用。屋面结构体系由横向的下凹工字钢及纵向和斜向支撑杆组成,形成空间单层曲面网架。整个结构模型见图 5。

图 5 刚性结构:空间桁架+悬挂体系

巨拱的曲线形状需要考虑两方的要求:一方面是功能空间的建筑造型,另一方面是结构受力的合理性。前者要求呈椭圆形,对后者的要求则悬链线最为理想,可以使巨型桁架的各个断面只受压力。为了兼顾两者,方案定为介于抛物线与圆弧之间的一个形状曲线。参见图 6。

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本方案采用 SAP2000有限元程序进行了分析,考虑了竖向荷载和横向风荷载的组合。由于处于 6度抗震设防烈度地区,暂时不考虑地震作用。计算分析采用了如下假定:

(1)4大巨型桁架与地面固定铰支座连接;

(2)巨型桁架由平面桁架和平面外起稳定作用的斜撑组成空间立体钢桁架;

(3)屋面结构体系由横向的工字钢及纵向和斜向钢管组成,形成空间单层曲面网架;

(4)玻璃幕墙结构骨架荷载由屋面外边巨拱负担,此时与地面竖向滑动铰支座连接。而玻璃部分荷载则由外边巨拱与地面共同负担(也就是与地面固定铰支座连接)。

分析结果如表 1:

图 6 巨型桁架曲线找形比对

表 1 刚性方案计算分析结果

由计算结果可以看出:

(1)对于 220m的跨度,结构的自重成为关键。用钢量越大,重量就越大,引起的结构变形也越大。相反,用钢量小,变形小了,自重减轻,周期变小,同时抗风等稳定性减弱。本案在用钢量 120kg/m2处找到了平衡点,最大位移控制在 1/300以内。

(2)两侧玻璃幕墙按悬挂法,既可有效利用外边巨型桁架的作用,又改变了传统玻璃幕墙骨架压弯受力特性成为拉弯受力,从而进一步减少了两侧面玻璃幕墙的用钢量。

(3)两侧玻璃幕墙的骨架对整个结构体系的侧向稳定贡献很大。

(4)好的结构空间轮廓受力清楚,缩小了杆件设计截面,从而节约用钢量,同时满足建筑功能需求。

3.2 柔性结构体系(方案二)

主体支承体系仍为 4榀 220m的大拱,由屋面承重索和幕墙的竖向拉索组成一个几何不变体系,见图7。本方案采用ANSYS有限元程序进行了分析。

计算分析采用了如下假定:

图7 柔性结构:4大受压巨拱+屋面承重索+竖向拉索体系

(1)拱脚采用铰接。

(2)索的预应力按在初应变施加,计算中考虑大变形影响。

(3)加载顺序为:先加结构自重及索的预应力,再加恒载及屋面或荷载。

经过对索网结构进行布置和反复计算,发现由于外拱平面外的变形使结构发生很大位移,屋面稳定索中的预应力消耗巨大,幕墙索中的应力又分布极不均匀,这些因素造成结构材料的浪费。在内外拱之间设置两根刚性联系梁后,可缓解应力集中,减小结构位移。用钢量控制在 240kg/m2左右。如果拱采用钢筋混凝土,结构用钢量可降为180kg/m2。

4 总结

综合以上两个方案,可以看出:

(1)方案一用钢量约 120kg/m2。方案二的最小用钢量为 240kg/m2,若拱采用钢筋混凝土,结构用钢量也要 180kg/m2。

(2)结构体系自重的大小直接影响 4大拱支座反力。自重越大,引起的反力值越大,相应基础的材料消耗也越大

(3)类似方案一(立体桁架+单层曲面网架)的国内施工相对比较成熟,而方案二,要按设计准确施工,由于每根索的长度不等,通过施加预应力来确定初期结构形状,施工难度巨大

从直观上看,拱擅长受压,索擅长受拉,方案二的柔性结构体系结合了这两种结构类型,具有优势,但是经过在用钢量,支座反力影响基础对策以及施工难易度等比较,最后基本确定方案一为本结构体系。

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

吴云缓(1968-),女,副主任工程师,一级注册结构工程师。从事空间结构设计。