中博会主会场主体结构设计与其特有技术

2011-11-05尹琦

山西建筑 2011年36期

尹琦

2011年9月，中部六省博览会在山西省顺利召开。作为本次博览会的主会场，太原煤炭交易中心——展览中心采用了大跨度的相贯线管桁架，在全国的同类结构中跨度最大。笔者有幸参与了本工程的设计施工全过程，现将工程设计及施工的情况及采用的特有技术简要介绍如下。

1 工程概况

煤炭交易中心位于太原市长风西大街南侧，在项目地址的北面是丽华大厦，南面是长风商务区绿岛文化平台。项目的东侧、南侧分别为山西省博物馆，大剧院，图书馆等建筑。展览中心作为煤炭交易中心的中心建筑，整个建筑平面为圆环形，宛如一块玉璧，契合了山西省的古文化、晋文化的精髓。

展览中心整个建筑直径约为260 m，内环直径为19 m，建筑高度为27 m。采用钢框架的结构形式:屋面采用相贯线管桁架，内外环分别用两排钢柱支撑跨度达到87 m的屋面，内环钢柱为16根，外环为56根。整个展览中心屋面投影面积约52 000 m2。结构三维模型布置见图1，结构剖断面见图2。

2 结构计算分析

鉴于本工程的复杂性，计算采用了Midas，Ansys两个三维空间结构分析软件进行了主体结构分析、桩基承台分析、整体结构分析。而后，又进行了节点受力分析、屈曲分析等内容。主体结构及围护次结构的总用钢量约为11 290 t。

3 基础设计

根据本工程的结构受力特点，钢柱脚受到竖向的荷载，钢柱最大竖向轴力约为15 000 kN;在风力和地震力的组合下又受到上拔力作用，最大值约为6 000 kN，并且基础承受一定的水平推力。所以在桩基设计时考虑了多种荷载状态下的桩基受力，并选取了后压浆混凝土灌注桩及承台的桩基形式。混凝土灌注桩桩长为42.45 m，要求其单桩竖向承载力特征值为4 600 kN;抗拔承载力特征值为2 300 kN。经过桩、土、基础的复合计算，满足了最大水平推力。现场试桩能够较好的满足设计要求。

4 主体结构设计施工采用的特有技术

4.1 相贯线管桁架焊接节点

为了展现钢管的美观，本工程钢管采用了现场空间相贯焊接的形式。16种杆件规格、最大管件直径达到1 400 mm、最大节点交汇处有十根杆件之多。设计时对节点进行了多种计算复核，包括根据《空心管结构设计连接设计指南》的计算、有限元计算等等。相贯节点实例见图3。

4.2 屋盖与柱连接的铸钢节点

由于在超大跨度下柱顶支座受力很大，计算最大连接板厚度达到160 mm厚，并且柱节点位于26 m的高空，施工极为不便，并且施工质量不好保证，所以节点连接采用了销轴连接并且选用了铸钢节点的节点形式。铸钢节点采用了Ansys有限元计算软件进行分析，设计时参考了德国标准。铸钢节点实例见图4。

4.3 同步预调节点

在大跨结构的前提下，并且在相关设备荷载的制约下，屋盖挠度超过了规范允许的屋盖变形值290 mm。但是柱刚度增加对基础不利;梁刚度增加又显得结构笨重，增加了耗钢量，于是采用了同步与调节点的办法，释放了屋盖约束，在屋盖结构下挠、外推时再将结构锁死。此技术也采用Ansys软件进行了预分析，将跨中选取的吊装节点和制作的所有节点同时预调。图5为预调示意图。

4.4 针对温度效应的分析

温度应力也是本工程影响结构设计施工的很大因素。本工程屋面直径很大，达到260 m，温度变化将会对结构产生很大变形，影响到结构的安全与经济。依据气象资料及施工情况，主体结构合龙温度为(15±5)℃，暂定结构整体温度升高30℃。温度应力影响结构的屋面主体结构的变形和屋面覆盖层金属屋面板的变形两个方面。经过有限元分析，得知屋面主体结构的变形影响到外环钢柱的最大侧移为31 mm，小于h/300=52.6 mm。升温30℃时，最大整体变形也只有31 mm，次要杆件的变形也只有1 mm～3 mm。而施工装备误差为5 mm。经过计算表明，由温度引起的结构位移还是在规范和施工误差的范围内，下料也可根据理论计算下料。第二个方面是屋面覆盖的金属屋面板的温度收缩，通过一定间距的天窗，并且装配时有一定缝隙来解决屋面金属板的温度收缩问题。整个屋面开设了2 000个天窗，每个天窗抬高屋面，而计算屋面温度产生的胀缩最大值也只有880 mm，较好的解决了温度问题。

4.5 过载保护幕墙技术

本工程内环采用玻璃幕墙，单层幕墙高度达到20 m，面积超过3 000 m2。其荷载较大，连接在主体结构上，对主体结构和基础的影响也较大。为了减轻如此庞大的幕墙对结构的影响，幕墙系统采用了过载保护幕墙技术。幕墙结构采用单向索支结构体系，在幕墙结构下部设置过载保护器，上部与主体钢结构铰接。钢拉索施加20 t预张力，保证结构的抗震抗风及承受竖向荷载的性能，并且增加了幕墙体系的安全系数，对主体结构的影响较小。