世博主題館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上海世博會(huì)主題館結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)主題一、上海世博會(huì)主題館工程概況二、主題館屋面結(jié)構(gòu)方案選型三、主題館結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與分析四、主題館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程概況

世博會(huì)主題館是展示上海世博會(huì)“城市，讓生活更美好”的主題和凸現(xiàn)大型事件的展覽場(chǎng)所。世博會(huì)期間將結(jié)合世博軸北端的慶典廣場(chǎng)舉辦世博會(huì)開(kāi)、閉幕式等大型活動(dòng)。世博會(huì)后主題館將綜合利用為展覽建筑群體。主題館作為永久保留場(chǎng)館建筑，地上建筑面積為8.0萬(wàn)平方米，地下建筑面積為4.0萬(wàn)平方米。工程概況工程概況屋面建筑平面投影為矩形平面，東西向288m，南北向216m，高度為26m。室內(nèi)按功能要求分為三個(gè)區(qū)，即西側(cè)展廳中庭、東側(cè)展廳。其中，西側(cè)展廳是180m×140m無(wú)柱大空間。屋面結(jié)構(gòu)南、北方向各懸挑18m。

建筑平面圖建筑平面圖結(jié)構(gòu)方案選型結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)主題館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之挑戰(zhàn)西側(cè)展廳為180m×140m無(wú)柱大空間，建成后為中國(guó)最大跨度展館之一。為保證建筑室內(nèi)凈高要求，西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)高度限制在12m之內(nèi)。展廳南、北方向懸挑端跨度18m，如何有效解決懸挑端彎距對(duì)內(nèi)側(cè)屋面的不利影響。屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要體現(xiàn)屋面之輕盈、簡(jiǎn)潔、通透，置身于展廳中將領(lǐng)略到結(jié)構(gòu)之韻律美及先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)造就的時(shí)代感。

結(jié)構(gòu)方案選型方案一：?jiǎn)蜗驈埾诣旒芪鱾?cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)選型軸側(cè)圖平面圖立面圖結(jié)構(gòu)方案選型方案二：雙向張弦桁架軸側(cè)圖平面圖西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)選型立面圖結(jié)構(gòu)方案選型方案三：巨型折板框架軸側(cè)圖平面圖西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)選型立面圖結(jié)構(gòu)方案選型西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)選型結(jié)構(gòu)參數(shù)方案一方案二方案三結(jié)構(gòu)方案單向張弦桁架雙向張弦桁架巨形折板框架結(jié)構(gòu)高度(m)11.511.58標(biāo)準(zhǔn)豎向荷載跨中變形(mm)-368-426-262支座推力(KN)22541940單位用鋼量(kg/m2)101189104西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析結(jié)果西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)方案評(píng)價(jià)從結(jié)構(gòu)效率來(lái)看，方案三最優(yōu)，結(jié)構(gòu)高度最小，豎向剛度大；方案一在結(jié)構(gòu)高度能滿(mǎn)足建筑室內(nèi)要求的前提下，結(jié)構(gòu)撓度符合要求，且單位用鋼量最??；方案二結(jié)構(gòu)效率較低，用鋼量大。從對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響來(lái)看，方案一為自平衡體系，故對(duì)下部結(jié)構(gòu)推力較小，柱子及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度低，結(jié)構(gòu)費(fèi)用少；方案三為巨型門(mén)式剛架體系，上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的推力是一較難處理的問(wèn)題。從對(duì)建筑要求影響來(lái)看，方案三兩側(cè)巨型柱各寬9m，建筑空間占用很大；方案一對(duì)下部結(jié)構(gòu)要求較低，故柱子截面較小，建筑空間利用率較方案三高。經(jīng)以上比較，西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)選擇單向張弦桁架方案。結(jié)構(gòu)方案選選型張弦桁架實(shí)實(shí)體圖西側(cè)展廳沿沿屋面縱向向布置張弦桁架作為屋面結(jié)結(jié)構(gòu)的主要要承重體系系。結(jié)構(gòu)跨度144m，結(jié)構(gòu)高度度11.5m，失跨比為為1/12.5。每榀張弦桁桁架布置2道V字型撐桿。。西側(cè)展廳屋面結(jié)構(gòu)選選型結(jié)構(gòu)方案選選型張弦桁架構(gòu)構(gòu)成圖結(jié)合屋面建建筑形態(tài)和和表面機(jī)理理，上弦采采用斷面為為正三角形立立體桁架，立體桁架架高3m，寬3m。兩對(duì)V字型撐桿上上端連接于于立體桁架架下弦桿，，下端通過(guò)過(guò)索夾相連連，從而確確保了撐桿桿平面內(nèi)、、外穩(wěn)定性性。索夾設(shè)計(jì)為為在張弦桁桁架平面內(nèi)內(nèi)可自由轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證證了索力有有效傳遞。。張弦桁架下下弦采用兩兩根平行鋼鋼拉索，拉拉索間隔1.5m拉索V字型撐桿立體桁架索夾張弦桁架結(jié)構(gòu)方案選選型東側(cè)展廳、、中庭立體桁架實(shí)實(shí)體圖東側(cè)展廳及及中庭結(jié)構(gòu)構(gòu)選型東側(cè)展廳及及中庭屋面面結(jié)構(gòu)沿東東西向采用用多跨連續(xù)立立體桁架作為屋面承承重結(jié)構(gòu)。。立體桁架采采用斷面為為正三角形立立體桁架，縱向三榀榀立體桁架架下弦寬度度均為3m，桁架高度度均為3m。結(jié)構(gòu)方案選選型挑檐設(shè)計(jì)挑檐設(shè)計(jì)挑檐采用變截面平面面桁架結(jié)構(gòu)形式，，跨度18m，間隔3m，共192榀。為進(jìn)一部加加強(qiáng)挑檐結(jié)結(jié)構(gòu)的整體體性，并改改善檁條的的受力性能能，檁條中中部通過(guò)V型隅撐系統(tǒng)統(tǒng)與平面桁桁架下弦桿桿連接，形形成獨(dú)特的的三維檁撐撐體系。挑檐邊桁架平面桁架檁條隅撐挑檐布置圖圖結(jié)構(gòu)方案選選型檁條體系屋面檁條體體系剖面圖圖屋面檁條體體系選型檁條布置結(jié)結(jié)合建筑屋屋面造型，，一端連接接于立體桁桁架上弦桿桿，另一端端連接于立立體桁架下下弦桿，內(nèi)內(nèi)跨檁條采采用H型鋼。邊跨檁條設(shè)設(shè)計(jì)為與挑挑檐相同結(jié)結(jié)構(gòu)形式，，即變截面面平面桁架架，通過(guò)桁桁架檁條抗抗彎能力平平衡了挑檐檐對(duì)邊桁架架扭轉(zhuǎn)，減減小了邊榀榀菱形桁架架的截面尺尺寸。H型鋼鋼檁檁條條桁架架檁檁條條挑檐檐張弦弦桁桁架架邊桁桁架架結(jié)構(gòu)構(gòu)方方案案選選型型支撐撐體體系系屋面面支支撐撐體體系系布布置置圖圖屋面面支支撐撐體體系系屋面面沿沿縱縱向向布布置置6道支支撐撐。。屋面面沿沿橫橫向向在在西西側(cè)側(cè)展展廳廳中中間間及及兩兩側(cè)側(cè)布布置置4道支支撐撐，，在在東東側(cè)側(cè)展展廳廳兩兩側(cè)側(cè)布布置置2道支支撐撐。。屋面面支支撐撐結(jié)構(gòu)構(gòu)方方案案選選型型屋面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)平面面圖圖結(jié)構(gòu)構(gòu)方方案案選選型型屋面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)軸側(cè)側(cè)圖圖結(jié)構(gòu)構(gòu)方方案案選選型型屋面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)剖面面圖圖屋面面縱縱向向剖剖面面圖圖屋面面橫橫向向剖剖面面圖圖結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析與與設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)荷載載取取值值結(jié)構(gòu)構(gòu)自自重重：：按按實(shí)實(shí)際際情情況況考考慮慮屋面面恒恒荷荷載載：：西側(cè)側(cè)展展廳廳屋屋面面、、東東側(cè)側(cè)展展廳廳屋屋面面及及挑挑檐檐取取0.8KN/m2中庭庭屋屋面面取取1.2KN/m2(考慮慮太太陽(yáng)陽(yáng)能能板板荷荷載載））屋面面活活荷荷載載：：整整體體計(jì)計(jì)算算取取0.3KN/m2；檁檁條條設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)取取0.5KN/m2屋面面風(fēng)風(fēng)荷荷載載：：挑挑檐檐處處取取2.7KN/m2，其其他他屋屋面面取取1.08KN/m2（風(fēng)風(fēng)吸吸））溫度度作作用用：：上上海海市市市市區(qū)區(qū)年年極極端端最最高高氣氣溫溫38.8℃℃，年年極極端端最最低低溫溫度度-2.0℃℃，故故取取最最不不利利季季節(jié)節(jié)溫溫差差40.8℃℃作為為結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)溫溫度度值值。。地震震作作用用：：設(shè)設(shè)防防烈烈度度為為7度，，特特征征周周期期0.9s，屋屋蓋蓋單單獨(dú)獨(dú)計(jì)計(jì)算算阻阻尼尼比比取取0.02，上上、、下下部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)整整體體計(jì)計(jì)算算取取0.035荷載載取取值值屋面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)單單獨(dú)獨(dú)計(jì)計(jì)算算模模型型上、、下下部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)整整體體計(jì)計(jì)算算模模型型結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析模模型型本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)采采用用以以下下計(jì)計(jì)算算分分析析模模型型：：屋屋面面單單獨(dú)獨(dú)計(jì)計(jì)算算模模型型，，采采用用彈彈簧簧單單元元模模擬擬下下部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的剛剛度度；；屋屋面面與與下下部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)整整體體計(jì)計(jì)算算模模型型；；同同時(shí)時(shí)還還對(duì)對(duì)單單榀榀張張弦弦桁桁架架進(jìn)進(jìn)行行張張拉拉分分析析。。計(jì)算算模模型型結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析與與設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)初始始預(yù)預(yù)應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)下下內(nèi)內(nèi)力力圖圖初始預(yù)預(yù)應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)下變變形圖圖初始態(tài)態(tài)單根索索力初始預(yù)預(yù)應(yīng)力力為1987KN，其應(yīng)應(yīng)力為為112MPa上弦桿桿內(nèi)力力初始預(yù)預(yù)應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)下為為2643KN單榀張張弦桁桁架靜力分分析結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)荷載態(tài)態(tài)單根索索力1.2Dead＋1.4Live，內(nèi)力力為5010KN,其應(yīng)力力為284Mpa上弦桿桿內(nèi)力力1.2Dead＋1.4Live，內(nèi)力力9451KN1.2恒＋1.4活荷載載作用用下內(nèi)內(nèi)力圖圖1.2恒＋1.4活荷載載作用用下變變形圖圖結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)單榀張張弦桁桁架靜力分分析單榀張張弦桁桁架靜靜力分分析結(jié)結(jié)果表表結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)荷載工況分析內(nèi)容分析結(jié)果Self拉索內(nèi)力（KN）1987預(yù)應(yīng)力反拱(mm)103支座滑移(mm)47Self+Dead拉索內(nèi)力（KN）3840跨中撓度(mm)-236支座滑移(mm)21Self+Dead+Live拉索內(nèi)力（KN）4404跨中撓度(mm)-339支座滑移(mm)14Self+Dead+Wind拉索內(nèi)力（KN）2497跨中撓度(mm)20支座滑移(mm)40張弦桁桁架跨跨中最最大撓撓度為為-339mm，小于于跨度度的1/400在風(fēng)載載作用用下，，張弦弦桁架架最小小索力力為2497KN，拉索索不松松弛張弦桁桁架支支座最最大滑滑移量量為47mm單榀張張弦桁桁架靜力分分析荷載工況分析內(nèi)容單獨(dú)分析整體分析誤差（%）Self+Dead+Live拉索內(nèi)力（KN）415343524.5跨中撓度(mm)-368-3834支座推力（KN）112250Self+Dead+Live+Tempereture拉索內(nèi)力（KN）408543285.6跨中撓度(mm)-354-3571.1支座推力（KN）941049.6屋蓋上上部結(jié)結(jié)構(gòu)單單獨(dú)分分析與與上、、下部部結(jié)構(gòu)構(gòu)整體體分析析比較較分析結(jié)結(jié)果評(píng)評(píng)價(jià)單獨(dú)分分析與與整體體分析析在拉拉索內(nèi)內(nèi)力及及跨中中撓度度方面面的差差異均均較小小，因因此單單獨(dú)分分析結(jié)結(jié)果能能夠滿(mǎn)滿(mǎn)足上上部屋屋蓋設(shè)設(shè)計(jì)要要求。。單獨(dú)分分析與與整體體分析析支座座推力力差異異較大大，原原因主主要是是由于于下部部結(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)雜雜，采采用彈彈簧單單元較較難真真實(shí)模模擬支支座處處側(cè)向向剛度度。因因此，，需要要通過(guò)過(guò)上、、下部部整體體分析析才能能較準(zhǔn)準(zhǔn)確地地確定定上部部屋蓋蓋對(duì)下下部結(jié)結(jié)構(gòu)的的真實(shí)實(shí)反力力。結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)屋蓋靜靜力分分析超長(zhǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度效效應(yīng)分分析結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)樓面溫溫度作作用一層?xùn)|東側(cè)展展廳為為180m××108m大空間間，本本層樓樓面尺尺寸超超出規(guī)規(guī)范建建議的的伸縮縮縫間間距限限制，，屬于于大面面積樓樓蓋結(jié)結(jié)構(gòu)，，故采采用有有限元元計(jì)算算分析析樓板板溫度度應(yīng)力力問(wèn)題題。鋼框架架與混混凝土土樓板板同時(shí)時(shí)升降降溫40.8℃℃，采用用混凝凝土彈彈性模模量折折減來(lái)來(lái)模擬擬混凝凝土樓樓板的的徐變變問(wèn)題題。超長(zhǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度效效應(yīng)分分析結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)樓面溫溫度作作用應(yīng)力集集中部部位樓板右右側(cè)邊邊三等等分附附近樓板左左側(cè)邊邊跨中中處樓板上上下邊邊左角角處應(yīng)力集集中處處樓板板最大大應(yīng)力力1.90mpa>1.43mpa應(yīng)力集集中原原因相同位位置附附近布布置有有柱間間支撐撐，限限制了了板的的自由由收縮縮非應(yīng)力力集中中處樓樓板應(yīng)應(yīng)力平平均為為0.2mpa動(dòng)力分分析第一階階：縱縱向整整體平平動(dòng)，，周期期1.2s第二階階：橫橫向整整體平平動(dòng)，，周期期0.94s第三階階：整整體扭扭轉(zhuǎn)，，周期期0.73s結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)分析內(nèi)容分析結(jié)果結(jié)構(gòu)自振周期T1(s)1.2T2(s)0.94T3(s)0.73T3/T10.61最大層間位移角縱向地震作用1/361橫向地震作用1/409最大層間位移與平均層間位移的比值縱向地震作用1.032橫向地震作用1.259動(dòng)力分分析結(jié)結(jié)果屋面結(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)動(dòng)力分分析結(jié)結(jié)果表表通過(guò)屋屋面支支撐和和柱間間支撐撐的合合理布布置，，結(jié)構(gòu)構(gòu)的扭扭轉(zhuǎn)/平動(dòng)周周期比比、最最大扭扭轉(zhuǎn)位位移比比以及及最大大層間間位移移角均均滿(mǎn)足足相關(guān)關(guān)規(guī)范范要求求。結(jié)構(gòu)分分析與與設(shè)計(jì)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)結(jié)果屋面結(jié)結(jié)構(gòu)主主要桿桿件