摘要：某運(yùn)動會開幕式主會場看臺下部為混凝土和鋼混合結(jié)構(gòu)。頂棚結(jié)構(gòu)出挑跨度達(dá)68米，采用斜拉主桁架及折板網(wǎng)格組成的混合體系。通過預(yù)應(yīng)力找力、找形得到斜拉結(jié)構(gòu)初始態(tài)，在此基礎(chǔ)上對上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的計(jì)算分析，并考察了上部結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。通過分析保證了結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。總結(jié)了一些斜拉大跨屋蓋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可供同類工程參考。
　　關(guān)鍵詞：斜拉空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力找形;預(yù)應(yīng)力找力;連續(xù)倒塌分析
　　Abstract: some main venue for the opening ceremony of the lower stands concrete and steel composite structures. Ceiling structure piece carry the span of the 68 meters, the main truss cables and fold board of mixed system of the grid. Through the prestressed find force, find form get initial state cables structure, on the basis of the steel structure, the overall calculation and analysis, and the effects of the resistance of the upper structure of the continuous collapsed performance. Through the analysis of the structure of the guarantee safety and efficiency. Summarizes some big span roof cables design experience for other similar projects.
　　Keywords: batter space grid structure; Prestressed find form; Prestressed find power; Continuous collapsed analysis
　　中圖分類號：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
　　一、 工程背景
　　運(yùn)動會主會場看臺建筑通常在頂部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)頂篷，本工程為廣州某體育場館看臺，為一棟八層建筑，平面呈扇形。層高在4.1米~6米之間，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，主看臺負(fù)一層至二層采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，三層以上采用鋼框架結(jié)構(gòu)。主看臺上部設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)頂篷，鋼結(jié)構(gòu)頂篷出挑跨度68米，屬典型的大跨度空間結(jié)構(gòu)，為本文重點(diǎn)討論內(nèi)容。
　　二、 頂篷結(jié)構(gòu)體系
　　主看臺頂篷是整個開臺建筑的亮點(diǎn)，建筑師在其造型上也著墨較多。頂部采用高低棱在縱橫向交錯變換的韻律，外型不規(guī)則。而且68米的出挑跨度對結(jié)構(gòu)體系提出了高要求。下圖1為兩個立柱間的結(jié)構(gòu)單元圖，首先將正四角錐平板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上下弦節(jié)點(diǎn)水平位置移位，得到沿同心圓弧+半徑線軸網(wǎng)布置的變形四角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。為了增加懸挑頂篷結(jié)構(gòu)主懸挑方向的剛度，在變形正四角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的四角錐頂點(diǎn)連線所在平面上設(shè)置主桁架。根據(jù)建筑高低棱在縱橫向交錯出現(xiàn)的韻律，將上弦節(jié)點(diǎn)升高或降低，從而形成外型靈活多變的空間折板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。在主桁架后部設(shè)立主立柱，懸挑端布置兩道預(yù)應(yīng)力拉索，后部一道拉索。并通過尾部后拉桿將頂篷與下部看臺結(jié)構(gòu)相連，以增強(qiáng)了頂篷結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，從而形成穩(wěn)定可靠的斜拉體系。結(jié)構(gòu)綜合了空間網(wǎng)格體系的空間整體性、桁架體系在懸挑結(jié)構(gòu)上傳力的高效率、斜拉桅桿結(jié)構(gòu)突出的抗傾覆性能。
　　頂篷共設(shè)立14根主立柱，標(biāo)準(zhǔn)柱距為12.9米，每兩柱間為標(biāo)準(zhǔn)單元。主桁架高度約5米，折板網(wǎng)架低棱處厚度約3.6米。上塔柱伸出桁架上弦約21米。除頂部主拉索外，上柱間還設(shè)立穩(wěn)定索。為抵抗風(fēng)吸力還增加了一排抗風(fēng)索。除拉索節(jié)點(diǎn)外基本為相貫節(jié)點(diǎn)。
　　三、 荷載
　　3.1 風(fēng)荷載
　　結(jié)構(gòu)位于河流中部島嶼上，其周圍地形空曠，風(fēng)荷載成為控制荷載。地形地貌接近B 類粗糙度地區(qū)，采用100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.60 KN/m2，高度系數(shù)按規(guī)范取值。由于體型復(fù)雜，通過甲方委托進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，確定了具體的體形系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)[]。
　　選取最不利且具有代表性的風(fēng)向角，將上述得到的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)的乘積分區(qū)取值。最終總結(jié)出設(shè)計(jì)計(jì)算的三種風(fēng)荷載工況：風(fēng)吸工況(WXI)、風(fēng)壓工況(WYA)、一半風(fēng)吸一半風(fēng)壓工況(WZH)。
　　3.2 恒載活載溫度荷載及其他附加荷載
　　恒荷載、活荷載上充分考慮了實(shí)際使用情況，除考慮屋面膜結(jié)構(gòu)及其附屬、天溝、照明和音響、馬道、燈具、揚(yáng)聲器等常見荷載外，還考慮了索節(jié)點(diǎn)自重的集中點(diǎn)荷載。考慮到頂篷為半敞開結(jié)構(gòu)，充分暴露于室外，受溫度變化影響較大，取最大升溫、降溫幅度為25±4 °C。并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)施加了威亞荷載。
　　3.3 地震作用
　　根據(jù)基于性能設(shè)計(jì)的理念，頂篷結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為：
　　(1)在多遇地震作用下，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件按彈性設(shè)計(jì);
　　(2)在設(shè)防烈度地震作用下，支承頂篷結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土柱以及頂篷的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按彈性設(shè)計(jì)。
　　由于懸挑跨度大68米，需要同時考慮水平地震和豎向地震，豎向地震影響系數(shù)最大值取水平地震影響系數(shù)最大值的65%。
　　3.4 荷載組合
　　上述工況，大致按照現(xiàn)行荷載規(guī)范思想進(jìn)行組合，但也有其特殊性：
　　1) 由于結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感性，考慮了風(fēng)和地震同時出現(xiàn)的組合。
　　2) 考慮了地震和溫度荷載的組合。
　　3) 由于照明、音響、揚(yáng)聲器等荷載的可變性，需要考慮撤去這些荷載對風(fēng)吸工況的不利組合。
　　四、計(jì)算模型
　　4.1 有限元模型
　　整體模型如下圖2所示，主立柱采用空間梁單元模擬;頂篷結(jié)構(gòu)主桁架上下弦桿貫通，采用空間梁單元模擬;腹桿根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求的長徑比限值要求，采用鉸接桿單元模擬。考慮到大懸挑導(dǎo)致的主桁架根部內(nèi)力及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)造，主桁架根部弦桿與主立柱連接節(jié)點(diǎn)采用鉸接。
　　4.2 預(yù)應(yīng)力模擬、“找力”及“找型”
　　在SAP2000(11.0.8版)中，拉索采用只拉桿單元模擬即可滿足工程設(shè)計(jì)精度，并采用初應(yīng)變模擬預(yù)應(yīng)力施加[]。施加初應(yīng)變之后頂篷超靜定結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變形協(xié)調(diào)過程，由于頂篷折板網(wǎng)格體系的變形較大，變形協(xié)調(diào)過程必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，通過SAP2000的非線性計(jì)算分析可以找到施加預(yù)應(yīng)力之后受荷載之前的結(jié)構(gòu)初始形態(tài)，這是一個“找型”的過程。相對較柔的頂篷結(jié)構(gòu)在外荷載作用下呈現(xiàn)較強(qiáng)的“大變形-小應(yīng)變”幾何非線性，進(jìn)行上述190種荷載組合非線性分析必須以上述“找形”得到的初始形態(tài)為非線性分析的起點(diǎn)狀態(tài)。這樣預(yù)應(yīng)力通過“找形計(jì)算”成為結(jié)構(gòu)中“流動的血液”。而不應(yīng)當(dāng)作外荷載處理。
　　在施加初應(yīng)變時，會遇到預(yù)應(yīng)力施加的大小問題，太大則結(jié)構(gòu)“內(nèi)耗”過大，經(jīng)濟(jì)性差。太小則改造結(jié)構(gòu)受力體系的效果太弱，結(jié)構(gòu)變形控制不住，有風(fēng)吸作用下拉索松弛失穩(wěn)等問題。我們采取了試算辦法，這是一個“找力”過程，“找力”控制原則為：
　　1) 在最不利風(fēng)吸力作用下，懸挑端拉索不發(fā)生松弛。
　　2) 在最不利工況下，控制懸挑端位移在可接受范圍之內(nèi)。
　　3) 初張力對應(yīng)的索力在最不利工況作用下的安全系數(shù)不小于3。
　　五、主要分析結(jié)果
　　5.1模態(tài)分析
　　利用SAP2000軟件對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析，得到頂篷結(jié)構(gòu)的動力特性，前幾階及有代表性的幾階模態(tài)特性如下表3所示。
　　表3 結(jié)構(gòu)的周期與振型參與系數(shù)

振型數(shù)	周期（S）	振型參與系數(shù)
		X向	Y向	Z向	RX	RY	RZ
1	8.59E-01	1.29E-05	9.01E-04	3.00E-04	4.27E-02	1.73E-04	1.64E-04
2	8.36E-01	5.82E-03	2.07E-06	1.30E-01	9.72E-05	7.66E-02	3.67E-07
3	7.87E-01	1.70E-04	1.01E-08	2.66E-03	4.68E-07	2.05E-03	1.13E-09
4	7.41E-01	1.74E-12	2.50E-01	8.32E-12	1.60E-01	7.52E-13	1.90E-01
10	5.49E-01	4.38E-07	6.32E-05	2.00E-06	3.55E-03	2.10E-06	5.83E-07

　　第一振型呈整體扭轉(zhuǎn)，第二振型呈Z向的平動，第四階振型呈Y向(垂直主桁架方向)的平動。前500階振型，X、Y、Z向的陣型參與質(zhì)量分別為：91.5%、90.2%、78.4%，結(jié)構(gòu)的自振周期非常密集，振型飽滿，表現(xiàn)為明顯的空間受力特性。
　　5.2 位移分析
　　頂篷結(jié)構(gòu)最大位移主要位于邊榀主桁架懸挑最前端，如下表4所示：
　　表4頂篷鋼結(jié)構(gòu)最大位移

節(jié)點(diǎn)位置	工況	位移△(mm)	△/D
邊榀主桁架懸挑最前端	1.0DL(2)+1.0風(fēng)吸+0.6升溫	338.5（豎直向上）	1/201
邊榀主桁架懸挑最前端	1.0DL+1.0風(fēng)壓+0.7LL+0.6降溫	298.9（豎直向下）	1/227

　　注：D為懸挑跨度(68m),DL(2)為僅考慮結(jié)構(gòu)自重和屋面覆蓋材料重量下恒荷載工況
　　5.3內(nèi)力及應(yīng)力比
　　拉索編號如上圖5所示，荷載態(tài)下結(jié)構(gòu)拉索最大組合內(nèi)力如下表6所示：
　　表5拉索最大組合內(nèi)力

索編號	鋼絲直徑X根數(shù)	最大拉力（KN）	對應(yīng)工況
S1	5x223	2370.237	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風(fēng)壓+0.3x1.2升溫
S2	5x583	4440.403	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風(fēng)壓+0.3x1.2升溫
S3	5x121	863.848	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風(fēng)壓+0.3x1.2升溫
S4	5x349	3027.249	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風(fēng)壓+0.3x1.2升溫
S5	5x121	422.808	1.2DL+1.3EX+0.3x1.2升溫

　　各主立柱底豎直向反力均在14000KN左右，彎矩和各向剪力均較大。主立柱和貫通的頂篷主桁架上下弦桿同時承受軸力和彎矩，頂篷其他大部分桿件均以軸向受力為主。截面利用率均在0.85以下，主要桿件利用率較大，次要桿件利用率較小，應(yīng)力水平分布合理。控制工況以風(fēng)荷載工況為主。
　　六、 結(jié)語
　　目前主會場看臺頂篷已封頂，折板四角錐網(wǎng)格很好的完成了建筑造型任務(wù)，同時斜拉結(jié)構(gòu)暴露的塔桅和拉索體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)美。從計(jì)算結(jié)果和檢測結(jié)果看，拉索為懸挑網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供了彈性支點(diǎn)，改變結(jié)構(gòu)傳力途徑，達(dá)到改造結(jié)構(gòu)受力體系(即減小懸挑對主立柱產(chǎn)生的傾覆力矩)的效果。主桁架和空間折板網(wǎng)格的結(jié)合有效改善了結(jié)構(gòu)的受力性能，提高了結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)構(gòu)用鋼量約180Kg/m2，考慮到68米的懸挑跨度因素，頂篷主結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較好，且具有一定的抗連續(xù)倒塌能力。
　　參考文獻(xiàn)：
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