东营会展中心结构设计中的关键技术_张守峰

东营会展中心结构设计中的关键技术

张守峰, 朱炳寅, 何相宇, 王 奇, 王树乐, 鲍晨泳, 彭 翼

(中国建筑设计研究院,北京100044)

[摘要] 东营会展中心展馆结构采用管桁架+塔架拉索结构体系,上覆PTFE膜材;由于建筑功能要求不设缝,展馆钢屋盖长度达360m,层2钢筋混凝土结构长度达189m,属严重超长结构;会议中心采用车辐式索桁架结构,钢索的张拉工艺采用位移控制法。对上述设计中的关键技术进行了介绍,供类似工程参考。[关键词] 管桁架;拉索;膜结构;车辐式索桁架

KeystructuraltechnologyindesignofDongyingConventionandExhibitionCenterZhangShoufeng,ZhuBingyin,HeXiangyu,WangQi,WangShule,BaoChenyong,PengYi

(ChinaArchitectureDesign&ResearchGroup,Beijing100044,China)

Abstract:ThesteelpipetrussescoveredbyPTFEmembraneswithcable-stayedtowersareadoptedinordertomeetthedemandforthearchitecturalstyle.Thetotallengthofthesteelroofisupto360mandthelengthofthereinforcedconcretestructureinthesecondfloorisupto189mduetothelimitofthearchitecturalfunctionwhichdemandsthatseamsmustn.tbeset,whichmeansthatitisaoverlongstructure.Therung-shapecabletrussstructureisusedforthecenterandthetensionofthesteelsisachievedbythedisplacementcontrolmethod.Thekeytechnologyofthestructureisgiven.Keywords:steelpipetruss;cable-stayed;membranestructure;rung-shapecabletruss

1 工程概况

东营会展中心位于山东省东营市文化生态公园

内,用地面积约12158万m2,是东营市的标志性建筑之一,建筑造型酷似一艘欲扬帆远航的舰艇。主要功能为大型展览中心,并配套建设有关的会议、办公、餐饮等服务设施,总建筑面积36000m。建筑效果如图1所示。东营会展中心根据建筑功能可分为展馆、会议中心、动力中心、餐饮办公及展馆前厅五部分。总平面见图2。

2

图2 总平面示意

215h,钢桁架为210h,檩条及其他构件为115h。建筑功能要求钢构件均采用薄型防火涂料。211展馆

展馆地上2层,无地下室。为满足展馆的建筑造型需要,结构设计时把桅杆和拉索应用于结构体系中,

形成倒三角形的钢管桁架+塔架拉索结构,主桁架跨

图1 会展中心效果图

度为75m,最大悬挑长度达20m。拉索作用于主桁架的跨中,作为钢管桁架的一个弹性支点,不仅大大减小了桁架的跨中弯矩,而且充分体现了桅杆和拉索的受力作用。钢屋盖上覆PTFE膜材用来模拟船帆,并作为展馆钢屋盖的围护结构,同时由于膜结构自重较轻,可适当减小钢屋盖的荷载,有利于大跨度钢桁架的结构设计。展馆下部采用钢筋混凝土框架结构,由于建筑功

作者简介:张守峰,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师,Email:zhangsf@cadg.cn。

2 结构方案的选取

工程设计使用年限为50年,抗震设防烈度7度

(0110g),设计地震分组为第二组[1]。展馆建筑抗震设防类别为乙类,建筑结构安全等级为一级,结构构件的重要性系数取111;会议中心、动力中心、餐饮办公及展馆前厅建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构安全等级为二级,结构构件的重要性系数取110。

建筑的耐火等级为一级,耐火极限屋盖斜撑杆为

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能要求不允许设缝,造成结构超长较多,达189m,结构设计时进行结构的温度应力分析并采取设置预应力筋、温度钢筋等综合措施确保结构构件的安全。212会议中心

会议中心地上3层,无地下室。下部采用钢筋混凝土框架结构,外形为圆形,酷似飞碟,跨度36m,为满足建筑造型需要,屋盖采用车辐式索桁架结构,钢屋盖由上下弦各12根钢索、中心受拉钢环梁及外围钢筋混凝土受压环梁三部分组成,通过上下钢索分级施加预拉力逐渐形成车辐式索桁架的结构刚度。213其他部分

其他部分均为地上1层,局部有1层地下室,采用钢筋混凝土框架结构,结合建筑使用功能设置若干道伸缩缝(兼防震缝),分缝后各结构单元长度均小于55m。3

结构设计中的关键技术

展馆建筑外形比较复杂,且由于膜结构属风敏感结构,风荷载体型系数等参数无法根据5建筑结构荷载规范6(GB50009)2001)确定,也没有现成的结果可参照。因此,通过缩尺模型风洞试验对展馆表面的风压分布有一个准确直观的了解,进而得出风荷载压力系数等参数,为展馆的抗风设计提供了可靠的依据。具体试验结果见文[2]。312骨架支承式膜结构

工程采用骨架支承式膜结构,以主桁架和拱平面桁架作为刚性骨架,在骨架上布置按设计要求张紧的PTFE膜材。骨架支承式膜结构的显著特点在于膜不是维持结构体系存在的必要结构单元,但膜又不仅仅是单纯的覆盖屋面系,而是充分发挥高强度受力特性的结构单元。虽然预张力对骨架支承式膜的/形0、/态0的影响不及张拉膜,但仍必须引入足够的张力,一般为4~6kNPm以上,既保证结构受力特性,又避免在风荷载作用下膜面发生较大颤振或波浪。骨架支承式膜结构的膜面曲率一般较小,膜内张拉力对膜面变形非常敏感,徐变作用容易使初始预张力变小、膜松弛。因此,骨架支承式膜结构预张力设计时应引入二次调整机制。

雪荷载是工程膜结构设计的主要控制荷载。基本雪压取0145kNPm2。考虑展馆膜结构屋面形式,屋面积雪分布系数取114

[5]

313超长结构温度作用计算及抗震滑动支座的设计东营会展中心展馆长189m,宽约83m,为满足建筑

功能要求,中间不设伸缩缝。结构长度大大超过混凝土规范[4]规定的长度,属于严重超长混凝土结构。钢管桁架屋盖总长度达到360m,温度作用对桁架杆件的影响,以及屋盖由于温度作用产生的内力对钢筋混凝土结构的影响都不能忽视。具体分析见文[5]。

展馆钢管桁架屋盖总长度达到360m,考虑室外温差较大,最高气温约40e,最低约-20e,钢屋盖在温度作用下对两端的型钢混凝土柱会产生较大的纵向推力和水平位移。采用SAP2000进行温度作用计算时,中间189m钢结构屋盖的支座固定,两侧的支座X向放开,在温度作用下自由移动,按温差?30e计算,展馆最远端的最大水平位移达到135mm,位移值由外向内逐渐减小,靠近中间189m固定支座处的位移值为76mm。为实现温度作用下大跨度钢结构屋盖的位移,结构设计时采用北京交通大学研制的抗震滑动支座,根据SAP2000计算出的支座位移量作为抗震滑动支座滑移量,利用抗震滑动支座的滑移大大减小因钢屋盖温度作用造成的柱顶水平推力,从而避免因推力造成的柱底弯矩。抗震滑动支座的示意见图3。

311风洞试验确定不规则空间结构的风荷载

图3 抗震滑动支座

314展馆钢管桁架+塔架拉索的结构设计

展馆钢屋盖主次桁架均采用倒三角形空间桁架,主桁架高度为315m,次桁架高度为115m,杆件均采用Q345B圆钢管,上下弦杆为<245@7~<402@25;拉索采用1860级<56高强低松弛钢绞线。结构计算采用SAP2000,钢结构屋盖与混凝土主体结构整体建模,模型中弦杆、腹杆、梁、柱采用梁单元,斜拉索采用索单元,计算时考虑几何非线性的影响,索中先施加自重和全部预应力,再分别施加恒荷载、活荷载、风荷载及地

。膜结构抵抗局部荷载的能力较

弱,膜材在局部荷载作用下会形成局部凹陷,造成雨水和雪的淤积,即产生所谓的/袋装效应0,会导致膜材的撕裂破坏[3],同时/袋装效应0形成的雪荷载局部增加,在主次桁架设计时予以适当考虑。 6

图4 钢屋盖第1振型图

震作用、温差荷载等,索中预张力的确定原则为自重作用下,屋盖跨中的挠度为0。管桁架的弦杆在中间节点处连续,曲线弦杆通过分段的直线模拟,腹杆与弦杆及拉索与桁架的连接节点按铰接考虑。柱顶支座根据具体情况采用不同参数的连接单元模拟。共计算了72个振型,第1振型为屋盖整体振动(图4),T1=11016s,第2~12振型均为局部振动。

结构构件计算结果复核及节点有限元分析采用ANSYS软件。

从分析结果可以看出,斜拉索在各种工况作用下,始终保持受拉状态,拉力在工况112D+114L+T-时

图6 平衡索张拉端节点

达最大值,在工况019D-114W时最小。竖向荷载作用下,塔架向屋盖方向微微转动,斜拉索拉力变大,为屋盖提供弹性支承作用。桁架在拉索与桁架的交点处仍然是向下变形,但挠度和杆件内力都有所减小。屋盖的最大挠度出现在斜拉索与塔架间,偏向斜拉索一侧。左侧悬挑端在风吸力作用下,塔架向背离屋盖方向微微转动,斜拉索拉力变小。主桁架详图见图5。

车辐式索桁架结构属于双层悬索体系[6],由上、下索和内、外环梁组成,通过上下钢索施加预拉力逐渐形成车辐式索桁架的结构刚度。其中下索为受力索,上索为稳定索,又直接承受屋面荷载,上下索之间平行布置的竖向连杆会对上下索的振动起到一定的抑制作用,增强索桁架体系的整体性;内环梁主要受拉,一般采用钢结构,外环梁主要受压,一般采用钢筋混凝土结构,此结构体系可以充分发挥钢结构的受拉性能和钢筋混凝土结构的受压性能,比较经济合理。车辐式索桁架剖面见图7。

由于车辐式索桁架中心钢环梁直径为3m,上、下预应力索与中心钢环梁的接头净距仅为118m,无法采用千斤顶进行张拉;上、下预应力索与外环梁的连接处外侧设置了悬挑桁架,悬挑长度为1716m,外侧也无法采用千斤顶进行张拉;最后确定预应力索的张拉工艺

图5 主桁架详图

采用位移控制法。具体的预应力张拉工艺如下:首先用扳手拧紧在中心钢环梁上的螺杆锚固端,控制张紧上下索的张拉力不小于20kN;其次按图7中车辐式索桁架初始态中的定位尺寸依次安装48根竖杆,竖杆采用圆钢管,安装时应保证竖杆的位置和长度准确,确认安装准确后对称、分级调整48根竖杆的调节套筒,通过调节各竖杆的长度逐渐增大上下索的拉力,当48根竖杆均达到索桁架张力态中的设计长度时,上下钢索达到了设计张拉力,固定各竖杆的调节套筒;最后铺设屋面保温金属板和阳光板。索桁架竖杆见图8,钢板夹应满足拉索600kN的受力要求,调节套筒和U形夹应满足拉索900kN的受力要求。拉索应采用铝片

主桁架预应力拉索的张拉工艺采用力控制法。施

工时首先要求受力索定长加工,用千斤顶分级张拉平衡索,由于塔架下端与主桁架的连接为铰接,所以平衡索张拉过程中利用塔架的轻微转动来逐渐张拉受力索,控制平衡索最大张拉力。经过不同张拉力的计算分析对比可知:在平衡索张拉力为960kN时,可实现钢屋盖主桁架在自重作用下跨中的挠度基本为0。另外,在使用过程中为防止平衡索遭受人为破坏,在平衡索下部设置混凝土墩台保护。塔架平衡索张拉端的节点见图6。

315会议中心索桁架的结构设计

会议中心屋盖为圆形,跨度为36m,为满足建筑造型需要,屋盖采用车辐式索桁架结构。车辐式索桁架由上下弦各12根钢索、中心受拉钢环梁及外围钢筋混凝土受压环梁三部分组成,索桁架高度为316m,上下钢索均采用1860级高强低松弛钢绞线,上索截面为<40,下索截面为<60,中心钢环梁直径为3m,高度为316m,采用Q345B钢板焊接而成。

图7 车辐式索桁架剖面

7

保护。4

结论

工程结构设计时,进行了多种

因钢屋盖温度作用造成的柱顶水平推力,从而避免因推力造成过大的柱底弯矩。

(4)会议中心屋盖采用车辐式索桁架结构,由上下弦各12根钢索、中心受拉钢环梁及外围钢筋混凝土受压环梁3部分组成。由于施工条件所限,钢索的预应力张拉工艺采用位移控制法,实践表明位移控制法可作为中小跨度悬索结构的一种有效的张拉工艺。

致谢:工程获得2007年度中国建筑设计研究院结构设计一等奖,设计过程中得到了院顾问总工程师陈富生和结构院副总工程师吴平的指导和帮助,深表感谢!

参

考

文

献

方案的优化,做到了经济合理。经统计,展馆大跨度钢屋盖的用钢量为3318kgPm2。

(1)展馆屋盖为一大跨度圆柱壳空间曲面,上覆PTFE膜材,其风荷载体型系数等参数应通过缩尺模型风洞试验确定。

(2)展馆大跨度钢屋盖设计时把桅杆和拉索应用于结构体系中,形成倒三角形的钢管桁架+塔架拉索结构,不仅很好地模拟了船帆的建筑造型,而且做到了结构方案的经济合理。钢管桁架+塔架拉索结构可作为一种新的大跨度空间结构,为空间结构设计提供参考。

[1]GB50011)2001建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出

版社,2001.

[2]张守峰,何相宇,王奇,等.东营会展中心风洞试验研究[J].建

筑结构,2009,39(7).

[3]董石麟,等.空间结构[M].北京:中国计划出版社,2003.

图8 索桁架竖杆

[4]GB50010)2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业

出版社,2002.

[5]王奇,张守峰,朱炳寅.东营会展中心展馆超长结构设计[J].建

筑结构,2009,39(7).

[6]沈世钊,等.悬索结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,

2006.

(3)展馆钢管桁架屋盖在温度作用下对两端的型

钢混凝土柱会产生较大的纵向推力。结构设计时采用抗震滑动支座,利用抗震滑动支座的滑移大大减小了(上接第4页)

受力体系,有着较大的承载能力和较强的刚度。/整体受力0的概念贯穿设计的全过程,包括节点设计。

(2)考虑材料非线性和几何非线性的极限承载力分析方法,可以全面综合地评价结构的承载能力,了解结构的薄弱部位。

(3)树状结构的节点是受力关键。铸钢件和焊缝的强度控制了杆件的截面尺寸。通过有限元分析,节点满足强度和刚度(变形)的要求。

图9 节点B几何模型

图10 节点B计算结果PNPm

2

致谢:本文在写作过程中得到了李功标博士的热忱帮助,在此表示感谢!

参

考

文

献

处,节点vonMises最大值Rmax=141MPa,满足要求。

可见,由铸钢件和焊缝的强度控制了杆件的截面尺寸。此铸钢件除满足强度要求外,还应满足刚度(变形)的要求。在整体计算时,此处假定为刚节点,故要求实际的节点应具有足够的刚度(位移足够小),方与此假定相符。计算结果最大位移值仅为6mm,为柱高的1P1400,可认为满足要求。4

结语

新长沙火车站站台钢雨篷采用了树状结构的刚架体系,较好地满足了建筑造型的需要。通过对整体结构和关键节点的分析设计,结果表明:

(1)对于树状结构,应从/整体受力体系0的角度来分析和设计。树状柱和其上支承的钢梁共同组成整体 8

[1]GB50017)2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,

2003.

[2]CECS235:2008铸钢节点应用技术规程[S].北京:中国计划出版

社,2008.

[3]武汉大学结构风工程研究所.长沙火车站风洞试验与抗风性能

分析[R].武汉:2007.

[4]长沙市勘测设计院.武广铁路新长沙站站房及雨篷岩土工程详

细勘察报告[R].长沙:2007.

[5]童根树.钢结构设计方法[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,

2007.