摘要：某運動會開幕式主會場看臺下部為混凝土和鋼混合結構。頂棚結構出挑跨度達68米，采用斜拉主桁架及折板網格組成的混合體系。通過預應力找力、找形得到斜拉結構初始態，在此基礎上對上部鋼結構進行了全面的計算分析，并考察了上部結構的抗連續倒塌性能。通過分析保證了結構的安全性和經濟性。總結了一些斜拉大跨屋蓋的設計經驗，可供同類工程參考。
　　關鍵詞：斜拉空間網格結構;預應力找形;預應力找力;連續倒塌分析
　　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 文獻標識碼：A 文章編號：
　　一、 工程背景
　　運動會主會場看臺建筑通常在頂部設置鋼結構頂篷，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，基礎采用鉆孔灌注樁，主看臺負一層至二層采用鋼筋混凝土框架結構，三層以上采用鋼框架結構。主看臺上部設有鋼結構頂篷，鋼結構頂篷出挑跨度68米，屬典型的大跨度空間結構，為本文重點討論內容。
　　二、 頂篷結構體系
　　主看臺頂篷是整個開臺建筑的亮點，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，外型不規則。而且68米的出挑跨度對結構體系提出了高要求。下圖1為兩個立柱間的結構單元圖，首先將正四角錐平板網格結構上下弦節點水平位置移位，得到沿同心圓弧+半徑線軸網布置的變形四角錐網格結構。為了增加懸挑頂篷結構主懸挑方向的剛度，在變形正四角錐網格結構的四角錐頂點連線所在平面上設置主桁架。根據建筑高低棱在縱橫向交錯出現的韻律，將上弦節點升高或降低，從而形成外型靈活多變的空間折板網格結構。在主桁架后部設立主立柱，懸挑端布置兩道預應力拉索，后部一道拉索。并通過尾部后拉桿將頂篷與下部看臺結構相連，以增強了頂篷結構的抗側剛度，從而形成穩定可靠的斜拉體系。結構綜合了空間網格體系的空間整體性、桁架體系在懸挑結構上傳力的高效率、斜拉桅桿結構突出的抗傾覆性能。
　　頂篷共設立14根主立柱，標準柱距為12.9米，每兩柱間為標準單元。主桁架高度約5米，折板網架低棱處厚度約3.6米。上塔柱伸出桁架上弦約21米。除頂部主拉索外，上柱間還設立穩定索。為抵抗風吸力還增加了一排抗風索。除拉索節點外基本為相貫節點。
　　三、 荷載
　　3.1 風荷載
　　結構位于河流中部島嶼上，其周圍地形空曠，風荷載成為控制荷載。地形地貌接近B 類粗糙度地區，采用100年重現期的基本風壓為0.60 KN/m2，高度系數按規范取值。由于體型復雜，通過甲方委托進行了風洞試驗，確定了具體的體形系數、風振系數[]。
　　選取最不利且具有代表性的風向角，將上述得到的體型系數和風振系數的乘積分區取值。最終總結出設計計算的三種風荷載工況：風吸工況(WXI)、風壓工況(WYA)、一半風吸一半風壓工況(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際使用情況，除考慮屋面膜結構及其附屬、天溝、照明和音響、馬道、燈具、揚聲器等常見荷載外，還考慮了索節點自重的集中點荷載?？紤]到頂篷為半敞開結構，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。并根據相關數據施加了威亞荷載。
　　3.3 地震作用
　　根據基于性能設計的理念，頂篷結構抗震性能目標定為：
　　(1)在多遇地震作用下，所有結構構件按彈性設計;
　　(2)在設防烈度地震作用下，支承頂篷結構的鋼管混凝土柱以及頂篷的結構構件按彈性設計。
　　由于懸挑跨度大68米，需要同時考慮水平地震和豎向地震，豎向地震影響系數最大值取水平地震影響系數最大值的65%。
　　3.4 荷載組合
　　上述工況，大致按照現行荷載規范思想進行組合，但也有其特殊性：
　　1) 由于結構的風敏感性，考慮了風和地震同時出現的組合。
　　2) 考慮了地震和溫度荷載的組合。
　　3) 由于照明、音響、揚聲器等荷載的可變性，需要考慮撤去這些荷載對風吸工況的不利組合。
　　四、計算模型
　　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;頂篷結構主桁架上下弦桿貫通，采用空間梁單元模擬;腹桿根據鋼結構規范要求的長徑比限值要求，采用鉸接桿單元模擬?？紤]到大懸挑導致的主桁架根部內力及節點設計構造，主桁架根部弦桿與主立柱連接節點采用鉸接。
　　4.2 預應力模擬、“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計精度，并采用初應變模擬預應力施加[]。施加初應變之后頂篷超靜定結構體系發生變形協調過程，由于頂篷折板網格體系的變形較大，變形協調過程必須考慮結構的幾何非線性，通過SAP2000的非線性計算分析可以找到施加預應力之后受荷載之前的結構初始形態，這是一個“找型”的過程。相對較柔的頂篷結構在外荷載作用下呈現較強的“大變形-小應變”幾何非線性，進行上述190種荷載組合非線性分析必須以上述“找形”得到的初始形態為非線性分析的起點狀態。這樣預應力通過“找形計算”成為結構中“流動的血液”。而不應當作外荷載處理。
　　在施加初應變時，會遇到預應力施加的大小問題，太大則結構“內耗”過大，經濟性差。太小則改造結構受力體系的效果太弱，結構變形控制不住，有風吸作用下拉索松弛失穩等問題。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) 在最不利風吸力作用下，懸挑端拉索不發生松弛。
　　2) 在最不利工況下，控制懸挑端位移在可接受范圍之內。
　　3) 初張力對應的索力在最不利工況作用下的安全系數不小于3。
　　五、主要分析結果
　　5.1模態分析
　　利用SAP2000軟件對整體結構進行動力分析，得到頂篷結構的動力特性，前幾階及有代表性的幾階模態特性如下表3所示。
　　表3 結構的周期與振型參與系數

振型數	周期（S）	振型參與系數
		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，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向的陣型參與質量分別為：91.5%、90.2%、78.4%，結構的自振周期非常密集，振型飽滿，表現為明顯的空間受力特性。
　　5.2 位移分析
　　頂篷結構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頂篷鋼結構最大位移

節點位置	工況	位移△(mm)	△/D
邊榀主桁架懸挑最前端	1.0DL(2)+1.0風吸+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)為僅考慮結構自重和屋面覆蓋材料重量下恒荷載工況
　　5.3內力及應力比
　　拉索編號如上圖5所示，荷載態下結構拉索最大組合內力如下表6所示：
　　表5拉索最大組合內力

索編號	鋼絲直徑X根數	最大拉力（KN）	對應工況
S1	5x223	2370.237	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風壓+0.3x1.2升溫
S2	5x583	4440.403	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風壓+0.3x1.2升溫
S3	5x121	863.848	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風壓+0.3x1.2升溫
S4	5x349	3027.249	1.35DL+0.7x1.4LL+0.6x1.4風壓+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，應力水平分布合理?？刂乒r以風荷載工況為主。
　　六、 結語
　　目前主會場看臺頂篷已封頂，折板四角錐網格很好的完成了建筑造型任務，同時斜拉結構暴露的塔桅和拉索體現了結構美。從計算結果和檢測結果看，拉索為懸挑網格結構提供了彈性支點，改變結構傳力途徑，達到改造結構受力體系(即減小懸挑對主立柱產生的傾覆力矩)的效果。主桁架和空間折板網格的結合有效改善了結構的受力性能，提高了結構剛度。結構用鋼量約180Kg/m2，考慮到68米的懸挑跨度因素，頂篷主結構經濟性較好，且具有一定的抗連續倒塌能力。
　　參考文獻：
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　　[4] 童根樹.鋼結構的平面外穩定. 中國建筑工業出版社，2007.