首頁(yè)

資訊中心

企業(yè)動(dòng)態(tài)

行業(yè)動(dòng)態(tài)

安全動(dòng)態(tài)

行業(yè)資訊

設(shè)備資訊

工具資訊

材料資訊

招商代理

您當(dāng)前位置:首頁(yè) > 新聞?lì)l道 > 技術(shù)動(dòng)態(tài) > 正文

新疆大劇院屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2016-06-02 15:36:49 安裝信息網(wǎng)

孔慧，李澈，劉楓，宋濤，朱禮敏

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京100013）

[摘要] 新疆大劇院屋蓋由內(nèi)外兩層穹頂嵌套而成。外層穹頂分為南殼和北殼，與內(nèi)殼形成三個(gè)基本獨(dú)立的結(jié)構(gòu)受力單元。南北殼均為由26榀沿徑向均勻分布的豎向桁架組成的近似1/4球；內(nèi)殼則為由10榀拱桁架組成的拱形曲面。外層穹頂與內(nèi)層穹頂之間通過(guò)立面幕墻連接，形成封閉屋蓋系統(tǒng)。為提高結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同工作能力和穩(wěn)定性，在不影響建筑效果的前提下，在內(nèi)外殼設(shè)置了不同形式的支撐體系。采用SAP2000軟件對(duì)比分析了設(shè)置支撐與不設(shè)置支撐下結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)和剛度，詳細(xì)介紹了屋蓋結(jié)構(gòu)體系的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)受力特征及主要分析結(jié)果。分析結(jié)果表明設(shè)置支撐能顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。

[關(guān)鍵詞] 新疆大劇院；空間桁架；屈曲分析；約束屈曲支撐

中圖分類號(hào)：TU318 文章編號(hào)：1002-848X(2016)07-0019-05

1 工程概況

新疆大劇院外形如同天山下的雪蓮，由內(nèi)外兩層穹頂嵌套而成，見(jiàn)圖1。外層穹頂（簡(jiǎn)稱外殼）近似為兩個(gè)1/4球，分為南殼和北殼，形似雪蓮的花瓣，外殼建筑高度為72m，平面半徑約為56m。內(nèi)層穹頂（簡(jiǎn)稱內(nèi)殼）為一個(gè)拱形曲面，建筑高度為58m，最大跨度約為90m。內(nèi)外殼之間通過(guò)立面幕墻連接成一封閉屋蓋體系。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)部分與上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)脫開(kāi)，形成獨(dú)立體系，同時(shí)屋蓋自身三個(gè)殼體之間基本獨(dú)立，共同坐落于底部平面尺寸為257m x162m的臺(tái)基上，見(jiàn)圖2。

2 外殼

外殼分為南殼和北殼，在建筑外觀上，南北殼為對(duì)稱關(guān)系，近似為兩個(gè)1/4球。為了充分利用殼體內(nèi)部空間，在南殼18. 600m高度和47. 300m高度處設(shè)置了不同使用功能的走廊，同時(shí)根據(jù)消防要求，在南殼兩端設(shè)置了空中飛梯（由6. 500m標(biāo)高臺(tái)基上至47. 400m標(biāo)高展廳）。而北殼則在20. 200m高度和27. 600m高度處設(shè)置了走廊。走廊和飛梯的設(shè)置導(dǎo)致南北殼的結(jié)構(gòu)布置不對(duì)稱，且南殼底部設(shè)置的高度較大的拱券走廊增加了結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)的

難度。

2.1結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合建筑造型和平面布置，南殼和北殼分別由26榀豎向桁架沿圓心按7.2。排列而成（圖3，4），再通過(guò)環(huán)向桁架（圖5）將其連接成為整體（圖6）。豎向桁架最底部上下弦間距為4. 7m，往上逐步減小。為了滿足建筑在殼面內(nèi)布置通行走廊的要求，局部桁架節(jié)間尺寸較大。在接近穹頂頂部時(shí)逐步間隔抽空桁架，并過(guò)渡到單層。

2.1.1底部拱券走廊

圖7為大劇院入口處拱券走廊效果圖，建筑要求此走廊的高度盡量大，以達(dá)到入口宏偉大氣的效果。底部弦桿長(zhǎng)度過(guò)大會(huì)造成桁架底部剛度過(guò)柔，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不利。為了達(dá)到建筑效果和結(jié)構(gòu)受力的雙贏，將底部桁架第一節(jié)間的高度提高至結(jié)構(gòu)合理高度，并適當(dāng)增大底部桿件截面(截面尺寸為ɸ402×16)，同時(shí)將原設(shè)計(jì)的人字形腹桿調(diào)整為八字形腹桿并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮桁架直腹桿彎矩的影響，為建筑裝修留下足夠的空間，見(jiàn)圖8。拱券走廊最終的效果得到了建筑師的認(rèn)可。

2.1.2殼體走廊設(shè)置

殼體內(nèi)走廊分兩種情況：一種要作為建筑使用空間，另一種僅為觀光走廊。對(duì)于作為建筑使用空間的走廊，建筑要求其盡量提供較大的空間，避免使用空間過(guò)于壓抑。而對(duì)于觀光走廊，建筑要求相對(duì)較低，滿足一般人群通行即可。為此，對(duì)于作為使用空間的走廊，在桁架內(nèi)采用人字形腹桿布置；而對(duì)于觀光走廊，則直接通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)高度，滿足人群通行要求，見(jiàn)圖9。

2.2計(jì)算結(jié)果

采用SAP2000( V14.2.4)軟件建立外殼三維計(jì)算模型（圖6），通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，僅通過(guò)環(huán)向桁架的約束，各榀豎向桁架之間并不能很好地協(xié)同工作，整個(gè)殼面的側(cè)向剛度相對(duì)較弱。同時(shí)，增大環(huán)向桁架截面對(duì)增加殼面?zhèn)认騽偠刃Ч⒉幻黠@。為此，在各榀豎向桁架之間布置斜撐來(lái)增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。為了最大限度地降低結(jié)構(gòu)桿件對(duì)建筑造型的影響，最終僅在個(gè)別區(qū)域（間隔600）布置斜撐，同時(shí)在殼面兩端位置設(shè)置交叉斜撐（圖3），加強(qiáng)結(jié)構(gòu)邊緣強(qiáng)度，進(jìn)而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)表1可以看出，增加了斜撐之后，風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移明顯減小，結(jié)構(gòu)的剛度明顯增加，斜撐對(duì)增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和整體性效果明顯。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)端部桁架的受力明顯大于中間榀桁架。故而端部三榀桁架的桿件截面相對(duì)較大，弦桿采用ɸ630×16(局部根部弦桿采用ɸ 630×30)，往上逐步減小為ɸ402×16，腹桿主要采用ɸ351×16。中間榀徑向桁架底部弦桿以ɸ402×16和ɸ402 x10為主，往上逐步減小為ɸ219×10，腹桿主要采用ɸ299×12，ɸ219 x10，ɸ219×8。環(huán)向桁架弦桿主要采用ɸ299 x10，腹桿主要采用ɸ180×8。環(huán)向桁架在樓板層采用箱形截面弦桿，便于鋼筋桁架樓板施工。依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，鋼結(jié)構(gòu)材料選用Q345C。

計(jì)算得出結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)組合下的最大豎向位移為153mm，撓跨比為1/732，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 7-2010)（簡(jiǎn)稱空間網(wǎng)格規(guī)程）撓度限值（跨度的1/250）要求。

2.3與混凝土結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)

為了使屋蓋鋼結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單明確，設(shè)計(jì)中采取設(shè)置變形縫的方法，在受力上盡量將混凝土結(jié)構(gòu)與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)脫開(kāi)，通過(guò)建筑構(gòu)造保證使用空間的完整性。

對(duì)于必須與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生連接的部位，如由大廳通往外殼觀光走廊的連廊等，則通過(guò)設(shè)置水平滑動(dòng)支座使得屋蓋鋼結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)連廊的豎向荷載，保證傳力簡(jiǎn)單明確。典型滑動(dòng)支座節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖10。

3 內(nèi)殼

3.1結(jié)構(gòu)體系

內(nèi)殼的結(jié)構(gòu)體系主要由橫向桁架、環(huán)向桁架和大型交叉斜撐組成。橫向桁架最大跨度約為90m，最大矢高約為58m，最小跨度約為83m，最小矢高約為50m。結(jié)構(gòu)上下左右均對(duì)稱，內(nèi)殼結(jié)構(gòu)俯視圖見(jiàn)圖11，典型橫向桁架布置圖見(jiàn)圖12。

在確定內(nèi)殼橫向桁架結(jié)構(gòu)形式的過(guò)程中，主要考慮以下問(wèn)題：

(1)結(jié)構(gòu)高度小。內(nèi)殼的外層曲面受到建筑造型的影響不能隨意改變，而內(nèi)層曲面又要考慮給下部展廳留有足夠高的使用空間，使得最終留給結(jié)構(gòu)的高度只有1. 8m左右，橫向桁架跨高比僅為1/50。

(2)橫向桁架在底部收進(jìn)。從圖12可以看出，橫向桁架的最大跨度并不是在其底部，而是往上一段距離。如果將上部看成是一個(gè)完整的拱結(jié)構(gòu)，則下部的收進(jìn)區(qū)域?qū)⒊蔀樯喜抗暗闹ёＴ诠暗拙薮笸屏Φ淖饔孟�，橫向桁架底部將會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)力。

(3)施工工期緊。由于項(xiàng)目的計(jì)劃安排，留給結(jié)構(gòu)施工的工期非常緊。

綜合考慮上述因素，在設(shè)計(jì)中通過(guò)以下措施解決：

(1)桁架的上下弦采用箱形截面，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)高度限制問(wèn)題，采用寬度大于高度的寬扁梁截面。并且在優(yōu)化過(guò)程中保持截面高度不變，僅調(diào)整截面寬度和壁厚，既能保證平滑過(guò)渡，又能縮短施工工期。

(2)除橫向桁架上下弦外，其余桿件均采用成品圓鋼管�？蓽p少構(gòu)件加工時(shí)間，有效節(jié)約工期。

(3)設(shè)置大型交叉斜撐。大型交叉斜撐的設(shè)置主要解決各榀桁架之間在平面外方向（Y向）剛度較弱及結(jié)構(gòu)整體性較差問(wèn)題。與外殼設(shè)計(jì)問(wèn)題相同，建筑師不同意在窗戶位置布置結(jié)構(gòu)桿件，同時(shí)由于內(nèi)殼窗戶布置問(wèn)題，使得在各榀橫向桁架之間增設(shè)斜撐的方案亦不可能實(shí)現(xiàn)。最終嘗試采用圖11所示的大型交叉斜撐方案，即在結(jié)構(gòu)四周（建筑在這些部位沒(méi)有布置窗戶）設(shè)置斜撐形成一個(gè)封閉的外圈，再在內(nèi)部布置X形交叉斜撐，避開(kāi)窗戶，這樣交叉斜撐自身形成一個(gè)穩(wěn)定的體系。圖13為大型交叉斜撐布置的平面和立面示意圖。經(jīng)過(guò)試算，此大型交叉斜撐布置方案效率很高，對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體性和Y向剛度效果非常明顯。內(nèi)殼三維計(jì)算模型見(jiàn)圖14。

(4)屈曲約束支撐。在邊榀主桁架之間交叉斜撐的最關(guān)鍵部位，即邊榀主桁架的底部采用了32根屈曲約束支撐，其安裝位置及形式見(jiàn)圖14。屈曲約束支撐與普通鋼支撐相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1）普通鋼支撐的抗壓承載力明顯小于抗拉承載力，支撐截面由受壓控制，截面面積大，且增加了結(jié)構(gòu)的剛度，使得結(jié)構(gòu)所吸收的地震力增大，導(dǎo)致柱腳反力加大，使得節(jié)點(diǎn)構(gòu)造困難。屈曲約束支撐拉壓性能一樣，構(gòu)件截面可以較小，結(jié)構(gòu)所吸收的地震力也小，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更加簡(jiǎn)單。2）普通鋼支撐在中震、大震階段會(huì)屈曲失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系改變，嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的抗震能力；屈曲約束支撐可以保證在大震作用下仍不退出工作，不改變結(jié)構(gòu)的承載力傳遞路徑，確保大震作用下桿件不屈曲，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3）在超烈度地震作用下，屈曲約束支撐具有金屬阻尼器的耗能能力，可以充當(dāng)結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲，在一定程度上保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，而普通鋼支撐不具有這種能力。

3.2計(jì)算結(jié)果

內(nèi)殼結(jié)構(gòu)在有斜撐和無(wú)斜撐兩種體系下的周期見(jiàn)表2。由表2可以看出，兩種體系下，結(jié)構(gòu)X向周期變化不大，但有斜撐體系Y向周期比無(wú)斜撐體系的降低約40%，可見(jiàn)大型交叉斜撐的設(shè)置可明顯改善結(jié)構(gòu)的Y向剛度。

經(jīng)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，典型橫向桁架的內(nèi)力分布有兩個(gè)明顯特征：1）橫向桁架底部收進(jìn)部分內(nèi)力明顯大于上部構(gòu)件；2）橫向桁架弦桿在一定高度范圍內(nèi)存在彎矩。

由于橫向桁架底部?jī)?nèi)力較大，又由于截面尺寸的限制，故而采用增大壁厚的方法來(lái)滿足要求。底部弦桿截面為口400×600．壁厚30mm，邊上兩榀弦桿壁厚為50mm。上部構(gòu)件根據(jù)內(nèi)力變化壁厚由16mm至10mm變化。桁架腹桿在底部受力較大部分仍采用箱形截面口400×600×16×30，上部則采用常規(guī)圓鋼管截面ɸ194×10。環(huán)向桁架上下弦截面以ɸ203 x10為主，腹桿以ɸ194 x10為主。交叉斜撐以ɸ299 x16和ɸ219×10為主。依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，鋼結(jié)構(gòu)材料選用Q345C。

計(jì)算得出，結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)組合下的最大豎向位移為166mm，撓跨比為1/542，滿足空間網(wǎng)格規(guī)程撓度限值（跨度的1/250）的要求。

內(nèi)殼屬于典型的拱殼，取結(jié)構(gòu)的最低階整體屈曲模態(tài)作為初始缺陷的分布形態(tài)，將初始缺陷的最大計(jì)算值取內(nèi)殼面跨度的1/300，約為90 000/300= 300mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征值屈曲分析結(jié)果，選取組合（1.0恒+1.0活）作為分析工況。計(jì)入殼面初始缺陷的典型節(jié)點(diǎn)的荷載．位移曲線見(jiàn)圖15。從圖15可以看出，結(jié)構(gòu)考慮初始缺陷和幾何非線性的極限荷載系數(shù)為19. 017倍，滿足安全系數(shù)K>4.2的要求。

4 立面幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立面幕墻連接內(nèi)外殼，使整個(gè)屋蓋形成封閉的空間（圖2）。幕墻呈月牙形，中部最大高度達(dá)17m。為了使結(jié)構(gòu)受力盡量簡(jiǎn)單，避免內(nèi)殼與外殼之間發(fā)生過(guò)多關(guān)聯(lián)。在幕墻骨架設(shè)計(jì)中主要考慮以下兩點(diǎn)：

(1)只承受拉力的桿件設(shè)計(jì)：幕墻骨架最大長(zhǎng)度達(dá)17m，將骨架設(shè)計(jì)成只承受拉力的桿件可以在避免桿件受壓容易失穩(wěn)的問(wèn)題同時(shí)保證桿件具有較小的截面，保證建筑纖細(xì)美觀的外形。設(shè)計(jì)中將幕墻骨架吊掛在外殼下弦，幕墻的豎向荷載全部由外殼承受，水平荷載用內(nèi)殼和外殼共同承受。

(2)消化內(nèi)外殼之間變形差：為確保內(nèi)、外殼結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想，盡量減少幕墻龍骨對(duì)內(nèi)殼和外殼的影響。通過(guò)特殊的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證內(nèi)外殼之間的變形不發(fā)生傳遞，使二者獨(dú)立工作，見(jiàn)圖16。長(zhǎng)圓孔用來(lái)釋放內(nèi)外殼之間的豎向變形差；水平變形差通過(guò)銷軸節(jié)點(diǎn)和關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)的組合節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。銷軸節(jié)點(diǎn)保證幕墻面外變形，關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)能提供面內(nèi)±3。轉(zhuǎn)角，足以滿足內(nèi)外殼之間的相對(duì)變形要求。