浅谈维护结构的支撑体系Word格式文档下载.docx

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建筑物高23.5米,主钢结构的跨度为92.4米。

是2011年世界大学生运动会主要比赛场馆之一。

　　该游泳馆造型独特,个性鲜明,结构总体造型为矩形,侧面及屋顶幕墙形成折面三角形空间网格,且关于X轴和Y轴对称。

在各大三角形幕墙板块边缘衔接处均采用金属装饰板进行收口密封。

整个结构构成钻石状的水晶造型。

尤其在夜间,透明的外饰面如同巨型的发光体,烘托出浓烈的节日气氛。

该建筑独具匠心的造型彰显了深圳这座新兴国际大都市的鲜明个性和独特魅力,同时也标志着该地区又一个地标性建筑的诞生。

游泳馆建筑整体鸟瞰图见图1.1所示：

　　2屋面幕墙简介

　　游泳馆整个屋面系统由9g个大三角形板块单元组成,每个大三角形板块各边均分9等分形成”个小三角形单元。

屋面幕墙结构体系主要由面板、铝合金型材转接件、钢结构檩条、钢结构支撑连接件组成。

幕墙面板采用了两种规格的玻璃:

一种是透明的三角6TP+12A+6TP+1.14PVB+6TP三钢化夹胶中空LOW-E玻璃;

一种是浅绿色的8+0.76PVB+XIR+0.76PVB+8mm钢化夹胶LOW-E玻璃。

结构支撑体系钢檩条采用两种型材:

中间主次檩条采用H型钢构件,边檩采用方钢管构件。

　　使用阶段:

幕墙主要承受自重、风荷载、活荷载、温度及地震作用,所有自重及外荷由玻璃面板通过结构密封胶及承重托条传至铝型材副框,再通过铝型材转接件及焊接钢底座传至钢檩条,最后通过周边的树枝形悬挑钢支座连接件及中间的可调双向铰接撑杆传至主体钢结构上。

　　各施工安装阶段:

幕墙主要承受自重、施工检修等荷载作用,所有外荷及作用由前期安装的构件及临时性支撑承受。

　　3屋面幕墙钢结构支撑体系设计重点、难点分析

　　3.1考虑温度应力释放的重要性:

　　维护结构的支撑体系,其特点就在于能承受并传递面板及支撑体系自身的重力和风、雨、地震、温度以及施工荷载等作用。

由于维护结构处于整个建筑结构的外表面,外界气候对其影响尤为严重,温度作用不可忽视,通常在设计中取年温差为ΔT=80℃。

　　维护结构通常采用铝合金型材、钢结构构件作支撑体系。

常用的铝合金型材所选用的材料为6063—T5、6063—T6;

常用的钢结构构件所选用的材料为Q235。

　　由此可见,温度作用对于维护结构支撑体系本身是具有破坏性的。

因此在设计维护结构的支撑体系时,需要通过构造措施将温度应力释放掉。

　　3.2考虑三维调节功能设计的重要性∶

　　深圳大运中心项目Ⅲ标段（游泳馆）夕卜围护结构工程的屋面幕墙,是由98个不同大小、不同角度的大三角形板块单元组成的空间折面三角形网格系统。

游泳馆的主体结构为单层平面网格空间钢结构桁架体系,最大跨度为92.4米,主体钢结构在自身重力作用下变形很大。

由于大三角形板块单元角度多,板块规格多样,主体钢结构变形大且复杂,在进行实际工程安装时,各支撑构件的大小和安装位置与理论设计尺寸相差甚远。

因此在设计中考虑三维调节功能非常必要。

　　3.3钢结构支撑体系设计的难点:

　　在设计幕墙的横梁和立柱时,通常采取的办法是:

在横梁两端与立柱相连的地方,留出缝隙并垫上柔性垫片。

横梁在长度方向可伸缩,温度应力得以释放,其它荷载和作用通过螺栓、螺钉和角码传与立柱。

立柱通过螺栓与主体结构连接,在其最上端开圆孔,下部其它位置开长圆孔,自重和部分平面外的荷载通过最上端螺栓、节点板传与主体结构,下部的连接螺栓和节点板只能传递平面外的荷载,使立柱在长度方向可自由伸缩。

　　由于该项目屋面幕墙钢结构支撑体系与主体钢结构空间异面。

按照常规幕墙的设计方法将钢结构檩条按幕墙横梁、立柱来设计,便会造成结构本身不稳定,无法实现支撑体系承受和传递荷载的功能。

　　角度多,板块规格多样,既要通过构造措施将温度应力释放掉,又必须保证支撑体系能将维护结构所受的自重和外荷载传与主体结构,同时还要保证构件连接具有三维调节的功能。

这给幕墙结构支撑体系的设计带来了不小的困难。

经过长时间与设计院沟通,并努力探索和分析,完成了该项目钢结构支撑体系的设计。

目前,屋面幕墙钢结构支撑体系已完工,现场效果良好。

　　4屋面幕墙钢结构支撑体系连接节点设计

　　由于本系统造型独特、构造复杂、施工难度大,我司在本次设计中,对幕墙面板与幕墙龙骨之间的连接、幕墙龙骨与主体钢结构的连接均采用了具有三维调节功能的节点构造设计,确保施工安装的质量。

其中,钢结构支撑体系连接节点设计可分为三个部分:

边檩与主体钢结构的连接设计;

主次檩与主体钢结构的连接设计;

檩条之间的连接设计。

屋面幕墙典型大三角板块单元钢结构支撑体系与主体钢结构连接三维示意图如图4.1所示:

4.1边檩与主体钢结构的连接设计:

　　边檩位于幕墙大三角板块的边缘,处于板块间的衔接位置,该处与主体钢结构连接的边檩有平行的两条,因此设计了树枝型钢结构悬挑支座连接件。

其典型构造形式如图4.2所示:

　　树枝型钢结构悬挑支座连接件底部与主体钢结构的连接采用完全焊透的坡口对接焊缝,能传递三个方向的轴力、剪力和弯矩。

具体构造如图4.3所示:

底部预先安装钢管底座,其目的是为了避免主体钢结构安装就位后在无支撑状态直接受焊接热的影响,造成应力的损失。

同时方便支座底部圆钢管的安装,且使连接具有调节功能。

　　在树枝型钢结构悬挑支座连接件两侧端部,分别通过销轴、节点板与边檩连接。

此处销轴连接的受力形式有三种:

　　一种是没有伸缩缝的固定铰接形式,每个大三角形板块单元只有一处使用该节点连接形式,它限制了大三角形板块单元上一点的位置,能传递板块平面内外的荷载,起主要的受力作用。

如图4.4所示:

　　一种是有伸缩缝的单向滑动铰接形式,该连接形式节点与固定铰接节点处于板块的同一条边檩位置,限制板块单元只能沿着该边檩方向滑动,能传递平面外的荷载及垂直于边檩方向的平面内的荷载。

如图4,5所示

　　一种是有伸缩缝的双向滑动铰接形式,该连接形式节点处于板块单元的另外两条边檩位置,使板块单元能沿着板块平面内的方向有限的滑动,此连接只能传递平面外的荷载。

具体构造如图4.6所示:

　　树枝型钢结构悬挑支座连接件具有可三维调节的功能,以调整、修复主体钢结构的施工偏差及自重变形,保证幕墙钢结构的安装精度。

　　4.3檩条之间的连接设计:

　　檩条之间的连接设计包括:

主檩和次檩、主檩和边檩、次檩和边檩及边檩和边檩之间的连接设计。

各檩条间均采用焊接连接。

每个大三角形板块单元通过檩条间刚性连接,组成一个完整的平面网格体系。

该钢结构体系与幕墙面板平行,结构稳定性好,幕墙表面平整度容易得到保证。

平面内的荷载通过檩条间的相互支承传至边部固定铰支座和单向滑动铰支座处;

平面外的荷载则由边部的所有支座和中间的双向铰接支撑共同承受。

　　5屋面幕墙钢结构支撑体系静力计算分析

　　5.1设计基本参数:

　　深圳大运中心项目外围护结构工程设计基准期为50年;

基本风压为0.75kn/m2,由于建筑体型复杂,风荷载通过风洞试验获得;

该项目所处地区地面粗糙度类别为B类,场地类别为Ⅱ类;

该地区地震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组;

屋面系统面板及铝龙骨荷载取0.20kN/m2;

屋面活荷载取0.30kN/m2;

屋面检修荷载取1.0kN（集中荷载）;

考虑安装时温度为20℃,设计年温差按+45℃和-25℃考虑。

　　5.2计算模型:

　　在屋面幕墙钢结构支撑体系的计算中,选取具有代表性的部分进行空间有限元的分析计算模型如图5.1所示:

　　在计算中,每个大三角形板块单元边部支撑连接件的边界条件都为刚接,约束了三个方向的线位移和角位移;

中间部位支撑连接件的边界条件都为铰接,只约束三个方向的线位移。

且边檩与边部支撑连接件的连接释放所有的转动约束,其中一个连接不释放线性约束,如图5,2所示支座ZAO1;

与其在一条边檩上的其它连接释放了沿边檩轴线方向的约束,如图5.2所示支座ZA202;

另外两条边檩与边部支撑连接件的连接只约束垂直于幕墙面板方向的线位移,其所释放的线性约束如图5.2所示支座ZB01、ZC01。

中间部分主次檩条与撑杆连接件的连接释放所有的转动约束。

计算模型与图纸中设计的节点连接构造一致。

　　5.3计算结果:

　　在同济大学开发的3D3s钢结构计算软件中,首先建好计算模型,再导入荷载信息——包括面板和转接件的重力（钢结构自身的重力由软件自动计算）、风荷载、活荷载、地震作用、温度作用。

通过详细的计算分析,在各种不利组合工况下,结构的强度、稳定和变形都控制在现行规范允许的范围之内。

　　6游泳馆屋面幕墙钢结构支撑体系的特点及注意事项

　　游泳馆外围护结构工程屋面幕墙钢结构支撑体系的特点在于:

每个三角形单元板块的钢结构檩条组成为一个稳定的结构,檩条间共同承受自重及外荷载,通过合理布置各种类型的支座,将温度应力释放掉,代之以温度变形。

此支撑系统,主檩、次檩、边檩截面高度一致,外观平整,与维护结构装饰面板协调统一,可视性好,既可用于幕墙,也可用于采光顶。

在实际工程设计中,需要注意下列事项:

　　首先,该支撑系统适合于各种角度幕墙、采光顶的设计和安装。

不管是平面幕墙还是曲面幕墙,其龙骨或檩条必须能织成一个稳定的网。

铝合金型材由于其不利于焊接和承压,很难确保连接节点的刚性,因此不适合采用。

钢型材在节点连接设计中也必须确保整个结构平面内外的稳定性。

　　第二,幕墙在主平面内的荷载和作用不宜太大,以便于能利用其中一个支座传递平面外的荷载和平面内一个方向的全部荷载。

　　第三,幕墙表面与主体结构之间应有足够的空间,便于连接件的设计和安装。

　　第四,起约柬作用的支座位置尽量选在离重心比较近的地方,且所需承担幕墙平面内荷载分量尽量小一些。

　　第五,在进行节点设计时,伸缩缝及长圆孔尺寸的设计除考虑结构受温度作用的变形外,还应考虑构件的加工和安装误差。

以确保该功能的实现。

　　第六,在作支撑结构连接节点设计时,注意考虑节点构造方便施工,具有可行的三维调节功能。

　　参考文献

　　[1]孙训方等主编《材料力学》第二版,高等教育出版社1991年7月

　　[2]《建筑结构荷载规范》,GB50009-2001（2000年版）

　　[3]《钢结构设计规范》,GB50017-2000

　　[4]《铝合金结构设计规范》,GB50429-2007

　　[5]《玻璃幕墙工程技术规范》,JGJI02-2003