某大學(xué)體育館弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的與設(shè)計(jì)

某大學(xué)體育館弦支穹頂屋蓋的分析與設(shè)計(jì)1主要內(nèi)容1.工程概況2.結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置3.結(jié)構(gòu)靜力與動力計(jì)算分析4.靜力彈塑性極限承載力計(jì)算分析5.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)6.施工張拉過程的仿真計(jì)算7.結(jié)語21.工程概況鉆石形建筑造型；正六邊形柱網(wǎng)外接圓直徑87.757m，最大挑檐長度6m，屋蓋總高度11.55m；矢跨比1/8.6；屋面坡度12度，局部凸屋面15度；屋蓋中央設(shè)置正六邊形的采光玻璃天窗，外接圓直徑24m。

柱網(wǎng)布置圖32.結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置2.1結(jié)構(gòu)體系——弦支穹頂網(wǎng)殼與索穹頂?shù)木C合體，屬于雜交結(jié)構(gòu)；極大地降低支座的水平推力；調(diào)整了網(wǎng)殼的內(nèi)力分布狀況，構(gòu)件受力趨于均勻，提高材料使用效率由于存在剛性的網(wǎng)殼部分，因此與完全柔性的索穹頂相比，施工的難度與復(fù)雜性大大降低與普通的空間桁架結(jié)構(gòu)相比，弦支穹頂?shù)臉?gòu)件和節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，加工制作的工作量大大減少整體結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖結(jié)構(gòu)正立面圖42.2結(jié)構(gòu)布置++=單層網(wǎng)殼邊緣構(gòu)件(環(huán)形桁架)支承索系與桅桿整體結(jié)構(gòu)53.結(jié)構(gòu)靜力與動力計(jì)算分析3.1預(yù)應(yīng)力初始態(tài)設(shè)計(jì)已有研究和工程實(shí)例表明，弦支穹頂外圈的索對結(jié)構(gòu)的影響最大，由外圈到內(nèi)圈索的預(yù)拉力應(yīng)逐級減小。使用同濟(jì)大學(xué)的3D3S軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性找形分析，在找形分析中考慮結(jié)構(gòu)自重的作用。索的預(yù)應(yīng)力取值考慮以下幾個因素：結(jié)構(gòu)整體剛度適宜（剛度與周期）；在恒荷載和預(yù)應(yīng)力作用下(荷載組合C1)，脊梁的主軸彎矩圖呈鋸齒形，正負(fù)峰值彎矩的絕對值相接近；在控制荷載組合作用下主要的索不退出工作；支座水平推力較?。辉跐M足上述條件的情況下，預(yù)應(yīng)力值向小的方向取，以降低施工時的張拉難度。通過多次試算，下斜索由外到內(nèi)初始預(yù)張力分別確定為：1800kN，1000kN，500kN，250kN，100kN。環(huán)向梁的扭矩及其正截面彎矩共同造成了脊梁正截面彎矩的突變。主脊梁軸力圖(kN)主脊梁彎矩圖(kN.m)6荷載組合C1脊梁軸力圖（kN）

荷載組合C1脊梁彎矩圖（kN-m）

在1.0永久荷載+預(yù)應(yīng)力的荷載組合作用下，脊梁軸力和彎矩的分布分別如上圖所示。73.2結(jié)構(gòu)動力特性第1振型為左右兩部分上下反對稱振動，周期為：T1＝1.35s第2振型為前后兩部分上下反對稱振動，周期為：T1＝1.32s第3、4、5、6、7振型均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)反對稱上下振動，并伴有外圍懸挑桁架的水平向擺動，周期分別為：T3＝1.22s，T4＝1.18s，T5＝1.18s，T6＝1.12s，T7＝1.10s第8振型表現(xiàn)為整體環(huán)向振動，周期為T8＝0.77s8第9、10、11振型表現(xiàn)為整體的介于對稱與反對稱之間的上下振動，周期為T9＝0.76s，T10＝0.66，T11＝0.63第12、13、14振型表現(xiàn)為脊梁帶動六塊屋面上下反對稱振動，周期為T12＝0.61s，T13＝0.59，T14＝0.50第15振型表現(xiàn)為整體環(huán)向振動，周期為T15＝0.46s第16、18、19、20振型表現(xiàn)為六塊屋面上下反對稱振動，周期為T16＝0.43s，T18＝38s，T19＝38s，T20＝38s9第17振型表現(xiàn)為六塊屋面上下整體振動，周期為T17＝0.41s振型及其分布與單層網(wǎng)殼類似；相同結(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)殼的周期增大約5%，這是因?yàn)樗鞯睦w柔和撐桿布置數(shù)量較少，其預(yù)張力對結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻(xiàn)并不大，索的主要作用在于改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。從以上結(jié)果可以看到：103.3荷載態(tài)的彈性設(shè)計(jì)計(jì)算考慮了14個大類的荷載組合

。當(dāng)恒荷載起有利作用時，其分項(xiàng)系數(shù)取為1.0；溫度的分項(xiàng)系數(shù)1.0，組合系數(shù)0.7。各個組合中均已包括了1.0倍的預(yù)應(yīng)力作用：(1)1.0結(jié)構(gòu)自重（即預(yù)應(yīng)力初始態(tài)）(2)1.2恒+1.4雪(3)1.2恒+1.4風(fēng)(4)1.2恒+1.0溫(5)1.2恒+1.4雪+1.4×0.6風(fēng)(6)1.2恒+1.4風(fēng)+1.4×0.7雪(7)1.2恒+1.4雪+0.7溫（升溫時取活）(8)1.2恒+1.0溫+1.4×0.7雪（升溫時取活）(9)1.2恒+1.4風(fēng)+0.7溫(10)1.2恒+1.0溫+1.4×0.6風(fēng)(11)1.2恒+1.4雪+1.4×0.6風(fēng)+0.7降溫(12)1.2恒+1.4風(fēng)+1.4×0.7雪+0.7降溫(13)1.2恒+1.0降溫+1.4×0.6風(fēng)+1.4×0.7雪(14)1.2（恒+0.5雪）+1.3水平地震114.靜力彈塑性極限承力計(jì)算分析彈塑性模型：①(Hinge72)在脊梁每個節(jié)間的兩端預(yù)設(shè)生成塑性P-M3鉸，共72個鉸②(Hinge600)在脊梁、環(huán)梁及肋梁每個節(jié)間的兩端預(yù)設(shè)生成塑性P-M3鉸，共600個鉸彈塑性模型一彈塑性模型二比較分析對象：①弦支穹頂②對應(yīng)的單層網(wǎng)殼（即去掉所有的拉索與撐桿）12組合1（全跨雪）荷載—位移曲線組合1（半跨雪）荷載—位移曲線以結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)的豎向位移作為監(jiān)控位移，將基底豎向反力值除以荷載組合值，即為結(jié)構(gòu)彈塑性極限承載安全系數(shù)。兩個彈塑分析模型所能承受的極限荷載幾乎完全一致。雖然在半跨雪載組合的作用下，結(jié)構(gòu)的次要桿件將先于主要桿件出現(xiàn)塑性鉸，但對結(jié)構(gòu)的承載力幾乎沒有影響，只有到了主要桿件出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)的整體承載力才會發(fā)生突變，有明顯的下降。故此采用僅在主要桿件（脊梁）設(shè)置塑性鉸進(jìn)行結(jié)構(gòu)Push-Over分析是完全可行的；在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)并不會隨著第一處塑性鉸的出現(xiàn)而完全破壞，承載力降低一定程度后隨著內(nèi)力的重分布，結(jié)構(gòu)的后繼承載力會繼續(xù)增高，即結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的安全儲備

13弦支穹頂比單層網(wǎng)殼的彈塑性極限承載力有較為明顯的提高。單層網(wǎng)殼和弦支穹頂?shù)膹椝苄詷O限承載安全系數(shù)列于下表：彈塑性安全系數(shù)彈塑性極限承載安全系數(shù)單層網(wǎng)殼弦支穹頂弦支穹頂承載力提高1.2永久+1.4滿跨雪+1.0預(yù)2.062.3313.1%1.2永久+1.4半跨雪+1.0預(yù)2.222.8126.6%146.施工張拉過程的仿真計(jì)算張拉方法：環(huán)索按應(yīng)力釋放后的長度下料標(biāo)定，張拉前將環(huán)索，斜索及撐桿連接安裝就位，斜索在脊梁的一端為張拉端，分批對稱張拉斜索直到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力；三輪張拉：第一輪張拉設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的2/3左右，第二輪張拉到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力，第三輪根據(jù)現(xiàn)場索力實(shí)測值對各索進(jìn)行微調(diào)；張拉順序：從外圈到內(nèi)圈分兩輪對稱張拉到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力，之后根據(jù)現(xiàn)場測量進(jìn)行第三輪的微調(diào)。第一輪張拉斜索到設(shè)計(jì)預(yù)拉力的2/3左右。第二輪最后一圈(最內(nèi)圈)索張拉至設(shè)計(jì)預(yù)拉時，其它各索恰好都達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)拉力；各輪張拉時張拉控制力的確定方法：在張拉過程中，每一圈索的張拉會導(dǎo)致其它圈索力的變化，為了保證在張拉最后一圈斜索后，其它各圈索的預(yù)拉力均恰好達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)拉值，各斜索的張拉控制力由逆向施工（即先從結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力初始態(tài)“放松——拆”）確定。監(jiān)控：實(shí)際張拉施工過程中，同時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的幾何形狀與索力，即采取雙控措施。156.1結(jié)構(gòu)模型（脊梁）半榀

脊梁、撐桿及拉索的單元與節(jié)點(diǎn)編號

166.畝2程張拉轎過程張拉頭過程向與張送拉控米制力翁F結(jié)構(gòu)約變形浴過程育D第1皺步第2怠步第3熱步第4量步17F廉(續(xù)事1)D盯(續(xù)攔1)第5啄步第6樂步第7慕步第8壘步18F草(續(xù)坑2)D央(續(xù)屆2)第9興步第1賺0步第1狀1步196.施3叼構(gòu)件鄉(xiāng)豐強(qiáng)度士應(yīng)力湖比與罰穩(wěn)定薦應(yīng)力羅比變竹化過割程工（施海工驗(yàn)到算）單元設(shè)1最與大強(qiáng)擠度應(yīng)缸力比賣0.懸38綁6，隸穩(wěn)定靈應(yīng)比四變化澤過程拋與此目相似競，最脂大穩(wěn)剪定應(yīng)別力比宮0.蓮39突0單元世2最給大強(qiáng)驅(qū)度應(yīng)貌力比附0.東33喇0，補(bǔ)穩(wěn)定朵應(yīng)比胞變化攝過程讀與此盛相似罵，最鉆大穩(wěn)行定應(yīng)舊力比草0.團(tuán)33訓(xùn)6單元饅3最撤大強(qiáng)漿度應(yīng)翅力比垃0.鏟27秤4，獻(xiàn)穩(wěn)定皮應(yīng)比庫變化權(quán)過程叢與此陡相似判，最旺大穩(wěn)鵝定應(yīng)梯力比壤0.南28砌2單元格4最鍵大強(qiáng)研度應(yīng)淺力比邪0.娛20脅9，勒穩(wěn)定被應(yīng)比委變化排過程適與此味相似腳，最困大穩(wěn)港定應(yīng)霉力比期0.的21剛7單元只5最腸大強(qiáng)促度應(yīng)歉力比餅0.蕩12繭4，盤穩(wěn)定蕉應(yīng)比恐變化幼過程逼與此鍋相似漆，最夜大穩(wěn)撕定應(yīng)饞力比謝0.稻13蜂6撐桿亂單元巷2-狐7最凳大強(qiáng)扛度應(yīng)殖力比泡0.晌24孝9，千穩(wěn)定維應(yīng)比覺變化山過程或與此皮相似臨，最眼大穩(wěn)宰定應(yīng)奮力比佳0.詢26經(jīng)520撐桿康單元迫3-蟲8最碰大強(qiáng)昏度應(yīng)黎力比儉0.浙36附3，思穩(wěn)定巡壽應(yīng)比觸變化挺過程荷與此級相似耍，最舌大穩(wěn)耀定應(yīng)奧力比景0.教45譜4撐桿插單元近4-蝕9最蟻大強(qiáng)扇度應(yīng)敵力比捐0.薦24井9，繪穩(wěn)定梯應(yīng)比扯變化耀過程熄與此半相似萄，最姓大穩(wěn)誼定應(yīng)兵力比肢0.繁30隨7撐桿閘單元絹5-墨10頸最大扎強(qiáng)度杯應(yīng)力辦比0丸.1返27病，穩(wěn)頓定應(yīng)問比變現(xiàn)化過滔程與急此相戒似，政最大卷穩(wěn)定擺應(yīng)力血比0誰.1氏63支座念水平價反力娃（挺單位解：k換N）施工步H-Reaction1-33.1985520.64785310.41511411.36953510.8089610.68583727.16057830.68972931.255131031.006871130.95559設(shè)計(jì)片初始灑預(yù)應(yīng)懸態(tài)H捎r錦=剃30隆.8偽96俯kN支座男水平汁反力屢變化奇過程胸（單粥位：督kN凡）21計(jì)算返結(jié)果驕表明賤，結(jié)腦構(gòu)經(jīng)姨過張?jiān)崂苡嗊_(dá)到百預(yù)期叫的設(shè)洞計(jì)結(jié)喪構(gòu)預(yù)倍應(yīng)力筍分布粘與初潔始幾馳何形更態(tài)，具且精維度較啄高。饞該預(yù)脫應(yīng)力額結(jié)構(gòu)司可以夸通過符正確恩的施啄工張能拉得睛以實(shí)粱現(xiàn)；部分遣構(gòu)件弓在張觀拉過徒程中拾的最撇大強(qiáng)艙度與接穩(wěn)定蛾應(yīng)力大比超筒過了疼張拉全結(jié)束紹后的樓相應(yīng)巖數(shù)值與指標(biāo)蒙，但探其數(shù)鋸值總慨體程勤度較鬼小，腫且遠(yuǎn)章遠(yuǎn)小籮于最唉不利籠荷載俱組合默下的殿應(yīng)力猶數(shù)值么指標(biāo)親。結(jié)驕構(gòu)在扎張拉薪過程銅中滿須足強(qiáng)般度與艘穩(wěn)定掘性要倚求；最外認(rèn)圈索倍的設(shè)甜計(jì)預(yù)盜拉力筋最大電，張畜拉最謹(jǐn)外圈蜻斜索文時，壁結(jié)構(gòu)速的變搭形與我構(gòu)件躁內(nèi)力葛的變謙化也雁最大蒜；計(jì)算格表明僑，由續(xù)于上扇部單知層網(wǎng)糊殼的出剛性渡已經(jīng)務(wù)較大猛，每獄一圈蚊索的移張拉啟雖然季會導(dǎo)捐致其殊它已堡經(jīng)張度拉索坑的拉元力變飾化，殃但變崗化幅摘度很莫小。仿真花計(jì)算飯結(jié)論肌:228.相結(jié)沙語預(yù)應(yīng)焰力拉糟索有缸效地級調(diào)整絞了上舌部剛奮性網(wǎng)劍殼結(jié)昂構(gòu)的充內(nèi)力軍分布恢，削泰減了助內(nèi)力迎峰值殺，提雪高了蛛材料僻的利隊(duì)用率能，總狡體經(jīng)粘濟(jì)效更益良疤好。由于品建筑娛造型炒的限缸制，缸只有蚊六道但脊梁戶直接炸通過注撐桿區(qū)與索左相互儲作用訓(xùn)，而搖每兩宇道脊探梁之治間的4根徑給