某展覽中心屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

1、某國際展覽中心屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工一 工程概況某展館屋蓋縱向投影尺寸為379m，橫向投影尺寸最大為154m，投影面積約為5.5萬，分A、B、C三個(gè)區(qū)，為目前國內(nèi)最大的專業(yè)家具展覽中心。屋蓋采用了出屋面的斜拉弧形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架采用正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)形式，其縱向柱距A、C區(qū)為21m，B區(qū)為30m，跨向柱距為90m。沿跨向設(shè)置鋼管拉桿，縱向設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索，并在跨向大懸挑端處設(shè)置垂直鋼管錨桿與地下基礎(chǔ)連接，網(wǎng)架通過鋼管斜拉桿和預(yù)應(yīng)力拉索懸掛在與下部鋼筋混凝土柱相連的箱形鋼柱上。整個(gè)展館由于跨度大，柱子少，有效使用面積大，使展覽中心產(chǎn)生了較好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)由于展覽中心的建筑造型氣勢雄偉，

2、建成之后，已成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑之一，圖1為屋面網(wǎng)架平面布置及剖面圖。圖1 屋面網(wǎng)架平面布置及剖面圖二 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合本工程的特點(diǎn)，作為一座大型展覽館，除考慮建筑結(jié)構(gòu)的美觀性外，還必須考慮其經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。大空間卻不增加很多的造價(jià)；展廳內(nèi)柱點(diǎn)少有更多的使用面積；建筑造型要體現(xiàn)現(xiàn)代感。建筑師希望屋蓋采用弧形變厚度結(jié)構(gòu)，橫向支承柱跨度要求為90m，柱外側(cè)懸挑2132m。按照上述要求，經(jīng)過分析比較，決定采用出屋面的斜拉桿加網(wǎng)架的屋蓋結(jié)構(gòu)體系。因?yàn)橐话愕拇罂缍刃崩W(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于沒有后平衡，必須把鋼筋混凝土柱截面做得很大，往往不美觀也不經(jīng)濟(jì)，而本工程可以采用兩側(cè)平衡的斜拉桿，且懸挑端（外墻邊）可設(shè)垂直豎向拉

3、錨桿，使得結(jié)構(gòu)體系很合理。網(wǎng)架采用正放四角錐弧形變厚度形式，由于有屋面斜拉桿，90m跨中處厚度可以做到僅3.5m，考慮到斜拉桿連接的方便性，支承柱上部采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土大柱伸至于網(wǎng)架內(nèi)部，上部16m改用鋼柱進(jìn)行連接。鋼柱和鋼筋混凝土柱間設(shè)計(jì)成鉸接，最大程度減少了屋蓋對柱子的彎矩。斜拉桿的作用力很大，結(jié)構(gòu)上不需要施加預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工方便沒有采用鋼索而是采用了無縫鋼管拉桿。由于高低跨交界處低跨網(wǎng)架無法設(shè)斜拉結(jié)構(gòu)，在高低跨網(wǎng)架之間設(shè)置了垂直拉桿使A、B、C三區(qū)的網(wǎng)架起協(xié)同工作，避免了低跨網(wǎng)架出現(xiàn)開口端大跨度。鋼柱、拉桿和屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析時(shí)整體計(jì)算，共有5597個(gè)節(jié)點(diǎn)，21350根桿件，采用

4、SFCAD2000作優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果顯示除與拉桿相連的節(jié)點(diǎn)的少量桿件外，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件受力不是很大，基本上都可用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接。拉桿與網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的連接，因拉桿最大拉力達(dá)4170kN, 焊接球也無法滿足受力要求，設(shè)計(jì)時(shí)考慮球內(nèi)加穿透肋板進(jìn)行力的傳遞。經(jīng)研究，采用圖2中的焊接球與鋼管連接大樣。焊接球選用材質(zhì)為Q235B，型號為500×20的兩個(gè)半球分別與60mm厚的連接板連接。連接板與鋼管的端頭板通過100軸銷（45#鋼）連接。與鋼柱相連拉桿截面分別為351×14、351×16與351×20，與基礎(chǔ)連接錨桿截面分別為402×20、351×

5、;14、351×16。拉（錨）桿長度均在20m以上，高跨處最長為35m，全部采用無縫鋼管。出屋面鋼柱高16m，開始時(shí)設(shè)計(jì)考慮采用800×25圓鋼管截面，因圓鋼管截面各向同性，焊接連接節(jié)點(diǎn)處理簡單，但此類鋼管型號國內(nèi)較少，且工期較緊，經(jīng)設(shè)計(jì)分析計(jì)算，改用800×600×22箱形斷面柱。在斜拉桿與箱形鋼柱連接節(jié)點(diǎn)處及網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)與箱形鋼柱連接節(jié)點(diǎn)處的鋼柱部份均加設(shè)肋板，防止鋼柱在拉力作用下變形。其中拉桿與箱形鋼柱連接節(jié)點(diǎn)處采用二塊肋板，因?yàn)榇颂幚ψ畲筮_(dá)到4000kN以上。此外加肋板與鋼柱的連接均為剖口等強(qiáng)焊接。在此區(qū)域附近，箱形鋼柱鋼板對接焊縫均為一級。鋼柱與

6、網(wǎng)架連接具體做法詳見圖2中節(jié)點(diǎn)大樣圖，網(wǎng)架上弦通過半球與箱形柱連接。箱形柱底部相當(dāng)于網(wǎng)架的鉸接支座，箱形柱底板采用-1200×1000×36鋼板，下面設(shè)-1100×900×80弧形壓力支座，共設(shè)20-M30帶彈簧的柱腳螺栓。圖2 鋼柱拉桿節(jié)點(diǎn)示意圖出屋面部分的平面外穩(wěn)定考慮在鋼柱與鋼柱之間采用小預(yù)應(yīng)力交叉鋼索作為柱間支撐。斜拉索采用預(yù)應(yīng)力鋼絲束19s5拉接，張拉時(shí)控制鋼絲束的張緊力為30kN40kN。在鋼柱上一邊設(shè)固定端，另一端設(shè)張拉端，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)達(dá)到幾何穩(wěn)定性。詳見圖3所示。屋面上荷載作用有網(wǎng)架自重、金屬屋面板、吊頂、馬道、活動(dòng)幕和活荷載。該工程屋面

7、造型復(fù)雜，為確定風(fēng)荷載的取值進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)表明屋面風(fēng)荷載基本上以負(fù)風(fēng)壓為主。經(jīng)過結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)內(nèi)力不起控制作用，只是在懸挑端處對網(wǎng)架桿件有影響。由于該結(jié)構(gòu)長寬兩個(gè)方向的尺寸均較大，需對在溫度變化情況下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了±25的溫度變化。在最不利組合荷載作用下，網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)最大撓度為130mm，在不考慮活荷載作用下，網(wǎng)架豎向撓度僅為90mm，懸挑端網(wǎng)架撓度15mm，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)此種形式的斜拉網(wǎng)架剛度較好，整體水平變形較小。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸較大，基本網(wǎng)格尺寸為4.2m×5m，為避免桿件運(yùn)輸和安裝過程中的變形和失穩(wěn)，最小桿件截面取75.5&

8、#215;3.75。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算，網(wǎng)架最大桿件截面規(guī)格為245×20，高強(qiáng)螺栓規(guī)格M20M64。圖3 預(yù)應(yīng)力拉索節(jié)點(diǎn)示意圖三 網(wǎng)架施工由于本工程結(jié)構(gòu)形式的特殊性，在施工前制定了詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)方案。網(wǎng)架總體施工方法為分區(qū)分塊對稱安裝，固定胎架、滑移工作平臺和局部吊裝相結(jié)合的方法。在各區(qū)段施工中，首先在斜拉桿與焊接球連接部位區(qū)域搭設(shè)固定胎架，此胎架在斜拉桿還未承力前作為網(wǎng)架的一個(gè)支點(diǎn)，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力需要，同時(shí)使拉桿安裝時(shí)方便、準(zhǔn)確。因跨度較大，該胎架承受荷載較大，在搭設(shè)前經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算。對于其余部分網(wǎng)架的安裝則采用滿堂腳手架（懸挑部分）與滑移工作平臺（室內(nèi)部份）相結(jié)合的高空散裝形式。鋼柱的安裝采用40T的汽車吊將鋼柱吊至于混凝土柱頂，用全站儀對鋼柱進(jìn)行調(diào)平、調(diào)直，并與砼柱頂連接固定。斜拉桿采用80T履帶吊進(jìn)行安裝，同時(shí)進(jìn)行另外方向的預(yù)應(yīng)力交叉拉索的安裝與張拉。在每一分塊安裝過程中，遵照施工組織設(shè)計(jì)的要求，按步驟進(jìn)行施工。特別由于拉桿與鋼柱、拉桿（錨桿）與網(wǎng)架的連接均采用現(xiàn)場焊接，其焊接變形和焊縫質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制。施工完畢后，經(jīng)測試，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。四 結(jié)束語1、本工程屋面曲面造型優(yōu)美，跨度大、高度較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。采用出屋面斜拉網(wǎng)架結(jié)構(gòu)獲得較好經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)使展館室內(nèi)獲得更多的使用空間。2、設(shè)計(jì)采用新型的鋼柱與混