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文檔簡介
1、案例一:美國亞特蘭大體育館 (佐治亞穹頂)索穹頂結構索穹頂結構是20世紀80年代美國工程師蓋格(Geiger)發(fā)展和推廣富勒(Fuller)張拉整體結構思想后實現的一種新型大跨結構,是一種結構效率極高的張力集成體系或全張力體系。它采用高強鋼索作為主要受力構件,配合使用軸心受壓桿件,通過施加預應力,巧妙地張拉成穹頂結構。該結構由徑向拉索、環(huán)索、壓桿、內拉環(huán)和外壓環(huán)組成,其平面可建成圓形、橢圓形或其他形狀。整個結構除少數幾根壓桿外都處于張力狀態(tài),可充分發(fā)揮鋼索的強度,這種結構重量極輕,安裝方便,經濟合理,具有新穎的造型,被成功地應用于一些大跨度和超大跨度的結構。1992年,美國工程師李維(M.P.
2、Levy)和T.F.Jing對蓋格設計的索穹頂結構中索網平面內剛度不足和易失穩(wěn)的特點進行了改進,將輻射狀脊索改為聯方型,消除了結構內部存在的機構,并取消起穩(wěn)定作用的谷索,成功設計了佐治亞穹頂(Georgia Dome)(1992年建成,橢圓形平面,240.79m*192.02m),成為1996年亞特蘭大奧運會的主體育館屋蓋,用鋼量不到30kg/m。 佐治亞穹頂體育館位于亞特蘭大的中心地帶,1992年作為美國橄欖球聯盟亞特蘭大大獵鷹隊的主場開放。該館因成為1996年奧運會主體育場館,是世界上最大的電纜支撐穹頂形體育館。 佐治亞穹頂,是目前世界上最大的索穹頂結構,雙曲拋物面型張拉整體索穹頂結構,由
3、美國工程師列維等設計,是1996年亞特蘭大奧運會主賽館的屋蓋結構,其長軸為240米,短軸為193米,為鉆石形狀,曾被評為全美最佳設計。整個結構由聯方型索網、三根環(huán)索、不連續(xù)撐桿及中央桁架組成。 佐治亞體育館的結構是一個空間桁架,其底部弦桿由環(huán)形索代替。這個屋頂為240m*193m的橢圓形,是同類索膜結構中世界上最大的。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維膜覆蓋。屋面呈鉆石狀,看上去象水晶一般。 整個屋頂由7.9m寬、1.5m厚的混凝土受壓環(huán)固定,共52根支柱支撐著700m周長的混凝土受壓環(huán),鋼焊接件被預埋進受壓環(huán)內,以提供26個屋頂連接點。為了使屋頂的熱膨脹不影響下部結構,受壓環(huán)座落在“特氟隆”承壓墊
4、上。這樣,外力作用下承壓墊只能徑向移動,并可將風力和地震力均勻傳向基礎。脊索及底部環(huán)索上的連接件均為焊接件。這些接頭溝通過鋼板與其他桿件連接。飛桿的底部與斜索和環(huán)索固定,飛桿的連接件做成鉸接件,以使其易于安裝并在不均勻承重情況下允許接頭旋轉。 外 景膜頂施工中俯瞰圖亞特蘭大體育館(佐治亞穹頂)Georgia Dome, Atlanta, Georgia內 景亞特蘭大體育館(佐治亞穹頂)Georgia Dome, Atlanta, Georgia Levy體系索穹頂與Geiger體系索穹頂的區(qū)別與改進: 對Geiger索穹頂輻射狀布置的脊索改為葵花型(三角化型)布置,使屋面單元呈菱形的雙曲拋物面
5、形狀,另外,中間設置了中央桁架以連接兩個半圓,上索網采用了三角形網格以適應非圓形的外形。李維體系與蓋格體系的主要區(qū)別在于脊索和斜索的布置。蓋格體系的脊索、斜索和立柱均在同一平面內,每個節(jié)點上僅有一根斜索相連,脊索沿徑向布置,斜索、立柱與其相應的脊索構成一豎向平面三角形;李維體系的脊索、斜索和立柱不在同一平面內,而是構成立體桁架。每個立柱頂的節(jié)點上有兩根斜索與相鄰內環(huán)立柱底的節(jié)點相連,每個節(jié)點有四根脊索,脊索網的平面投影維四邊形或三角形。索穹頂結構示意圖The Sketch of “Cable Dome”經過三角劃分的Levy體系索穹頂,雖然增加了結構的復雜性,并使結構對制造和施工誤差較為敏感,
6、但由于結構構成立體桁架形式,消除了結構存在的機構,幾何穩(wěn)定性明顯提高,從而提高了結構抵抗非均布荷載作用的能力。與Geiger體系索穹頂相比,Levy體系索穹頂上部的薄膜更易于鋪設,屋面更易升高,并能更好地解決屋面自由外排水問題。Levy體系索穹頂可適用于多種平面形式,所以說Levy體系索穹頂是一種更具生命力的結構形式。除了已建成的圓形和橢圓形(接近正方形或矩形)外,還可設計成中間大開口的形狀。李維體系可用于大跨度屋蓋結構。施工工藝要點及難點: 索穹頂結構的技術要點主要表現在結構計算、節(jié)點設計與制作、施工張拉三個方面。索穹頂的施工過程復雜,結構構件受力變化大,結構非線性程度大,同時結構的剛體位移
7、很大。索穹頂結構與傳統結構施工方法不同,有其自己獨特的施工方法和施工要求。首先,結構在未施加適當的預應力之前,剛度、穩(wěn)定性、幾何形狀以及檢點坐標都不能滿足設計要求,在施加預應力的過程中,結構的形狀和拓撲是逐步累積形成的,且隨著結構各桿件剛度的變化,預應力和形狀也在不斷的重新分布。其次結構在成形的過程中,結構或部分結構發(fā)生大位移、大變形,剛體運動和彈性變形共存,而且相互耦合。除此之外,索是一種高強度、低回彈材料,即使是索下料長度比較小的誤差也可能導致結構預應力分布相當大的誤差,結構的剛度以及形狀都將隨之發(fā)生顯著的改變。 基于上述分析,索穹頂結構施工關鍵技術主要包含以下四個方面:結構施工偏差及構件
8、尺寸精度控制、結構安裝成形方法、預應力張拉次序和方法、施工過程檢測控制。 在本工程中,穹頂安裝對施工公司來說是個不同尋常的挑戰(zhàn):穹頂采用橢圓形設計,因此要求連續(xù)彎曲,彎曲總長度最高可達到250英尺。之前曾多次采用加鋁的單芯電力線纜,但采用世德合金鎧裝電纜還是第一次。世德合金型鎧裝電纜重量輕、韌性好,是應用于穹頂環(huán)形設計的理想材料,且無需花費大量時間進行彎曲便可輕松安裝到整個橢圓形體育館上。長達2萬5千多英尺的世德合金電纜環(huán)繞半英里長的穹頂一周,上下達27層樓高。案例二:北京工業(yè)大學體育館(弦支穹頂結構)弦支穹頂結構典型的弦支穹頂結構體系由上部單層網殼、下部的豎向撐桿、徑向拉桿或者拉索和環(huán)向拉索
9、組成,其中各環(huán)撐桿的上端與單層網殼對應的各環(huán)節(jié)點鉸接,撐桿下端由徑向拉索與單層網殼的下一環(huán)節(jié)點連接,同一環(huán)的撐桿下端由環(huán)向拉索連接在一起,使整個結構形成一個完整的體系,結構的傳力路徑也比較明確。在正常使用荷載作用下,內力通過上端的單層網殼傳到下端的撐桿上,再通過撐桿傳給索,索受力后,產生對支座的反向推力,使整個結構對下端約束環(huán)梁的橫向推力大大減小。與此同時,由于撐桿的作用,大大減小了上部單層網殼各環(huán)節(jié)點的豎向位移和變形?;拘畔ⅲ?北京工業(yè)大學位于北京市朝陽區(qū)東南區(qū),毗鄰東四環(huán)路,交通便利。體育館位于北京工業(yè)大學東南區(qū),總建筑面積約34383平方米,賽時座席約15000個。體育館已于2007年
10、9月30日竣工。北京工業(yè)大學體育館平面示意圖 北京工業(yè)大學體育館是2008年奧運會羽毛球、藝術體操比賽館。建筑物平面設計為橢圓形,分為比賽館和熱身館兩部分,該工程總建筑面積為24383m。體育館局部地下1層,地上4層;熱身館地上1層,場館上部屋蓋為鋼結構體系。0.000相當于絕對標高35.050m。 北京工業(yè)大學體育館還創(chuàng)造了世界建筑史上的一個記錄世界上跨度最大的預應力弦支穹頂,最大跨度達93m。北京工業(yè)大學破面示意圖一、設計特點1、預應力張弦穹頂結構北京工業(yè)大學體育館上部是一個球冠頂面的單層網殼,由很多鋼管組成,下部用鋼索撐起來,因為整個場館的跨度有93米。在羽毛球館單層網殼下面,使用高強度
11、的鋼索進行張拉將網殼支撐住。在體育館穹頂結構中,連接五道環(huán)索的,是編織成漁網般的鋼管。而在這編織結構中,有102個萬向可伸縮節(jié)點。所謂萬向可伸縮節(jié)點,就是將環(huán)索和“漁網”交叉點的“死扣”改成“活扣”。 而“活扣”的作法,就是將固定節(jié)點分成兩半,頂部固定的部分開凹槽,而底部的一部分則做成半球狀,類似于人的關節(jié)。兩個一套,受力性能更好,對建筑來講更安全。2、精密巧妙的擋風設計北京工業(yè)大學體育館采用了觀眾席席下送風的空調設計,也就是看臺內增設空調送風管道,讓涼風從觀眾的坐椅下面吹出來。每兩個座位下面有三個直徑各13厘米的送風口,整個體育館中,這樣的送風口共有9100多個。這樣將一個出風口“分解”成了
12、9100多個出風口,風速當然就比較小,另外,將出風口設計在觀眾席下,回風口設計在兩層觀眾席之間,還可以避免渦旋氣流的產生,不會對運動員比賽造成影響。3、綠色環(huán)保理念北京工業(yè)大學校園中已經實現了雨水收集利用,而體育館的人行廣場采用彩色透水混凝土,部分燈具采用高效發(fā)光二極管照明,體育館冬季采用地熱供暖方式,夏季采用水源熱泵系統制冷,這些都能夠達到節(jié)能環(huán)保的效果。同時,館內具有完善的廢棄物處理系統。在體育館的兩個端頭各設置一個垃圾處理間,卡車可以方便到達,便于垃圾的收集和轉運。在體育館的每個衛(wèi)生間旁邊斗設置有清潔設備儲藏間和清潔人員休息間,便于清潔人員的工作。二、施工技術特點 為貫徹三大理念中的“綠色奧運”理念,體育館對建筑主體加以節(jié)能規(guī)范化設計,提高維護結構的保溫、隔熱通風性能,能縮短能源系統的運行時間,減少能耗。具體體現在以下措施:1、嚴格控制體育館各部分的傳熱系數,非透明屋頂的K值控制在0.7W/(m2K)以下,透明非透明屋頂和玻璃幕墻的K值控制在2.0W/(m2K) 2.0以下。外墻K值控制在0.8W/(m2K)以下,窗戶K值控制在2.5W/(m2K) 以下。2、在玻璃幕墻和大面積的窗戶上設置可調節(jié)式的外遮陽。3、自然采光,窗地面積比嚴格控制在規(guī)范的要求范圍內。4、由于體育建筑本身的特點,有部分房間難以達到自然采光的要求,本設計對其采
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