大跨结构应用实例.docx

大跨结构应用实例.docx

《大跨结构应用实例.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨结构应用实例.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

大跨结构应用实例

大跨结构应用实例

1、广州国际会议展览中心

广州国际会议展览中心位于广州市海珠区琶洲岛，是广州市重点建设项目，首期工程用地面积48.9万m2，总建筑面积39.6万m2，共有16个面积1万m2左右的展厅，10700个标准展位，是目前世界上单体建筑面积最大的展览建筑（图4—12～图4—15）。

广州国际会议展览中心主要部分为3层建筑，包夹层共有7层。

架空层主要用作车库、展厅和设备用房，首层和四层为展厅，二层为连接各个入口和各个展厅的人行通道，三、五、六层为办公及设备用房。

首层的中部和四层的南部各有一条贯通东西的卡车通道，东西两侧各有一条从首层通向四层的卡车坡道，运送展品的集装箱车可直达各个展厅。

其技术特点如下：

（1）成功解决了超长混凝土结构不设温度缝的难题

广州国际会议展览中心楼盖分为10个独立的单元，按建筑要求每个单元不可设缝，其长度和宽度都超过了规范关于温度区间长度的限值，最大单元的面积达90m×163.5m。

为解决这个问题采用平面应力计算方法和有限元三维计算方法对楼盖的应力进行了仔细的分析，通过设置后浇带来减少前期温度应力的影响，通过设置预应力梁和在温度应力较大的区域增加配筋的方法来控制和抵抗温度应力。

这一做法获得成功，2002年12月建成投入使用至今，主体结构未发现肉眼可见的裂缝。

（2）巧用预应力技术，降低大柱网重荷载的混凝土楼盖的造价

广州国际会议展览中心四层展厅楼面荷载重达15kN/m2，柱网为30m×30m，整个展厅的平面尺寸达86m×126.6m。

该层综合采用了有粘结预应力梁（大跨度框架主梁）、无粘结预应力梁（一级次梁）及在梁中加直线预应力筋（二级次梁及其他需要部位）等多种预应力方式。

通过精心设计预应力和非预应力钢筋的比例及预应力张拉控制值，使有效预应力的分布尽量接近理想预应力分布，因而各种材料的性能得到充分的利用，达到了既安全又经济的目的，比外方提出的设计方案节省混凝土32912m3，节省预应力钢筋2100t，降低造价约3900万元（还未包括节省的普通钢筋的造价）。

（3）成功设计了国内最大跨度的新型钢结构——张弦桁架结构

广州国际会议展览中心四层的5个无柱大展厅的屋盖采用预应力张弦桁架结构。

这是一种性能优越的新型大跨度钢结构，其截面的高度很大，因而比同样用钢量的其他钢结构具有更高的承载力，其上部受压，设计为三角形钢管桁架，有很好的稳定性，其下部受拉采用高强钢索，可以充分发挥钢材受拉性能好的优势。

围绕张弦桁架的设计对其强度、刚度、整体稳定性和拉索出平面的稳定进行仔细的分析，对预应力的取值及预应力的施加方法作了认真的考虑，对钢管桁架的相贯节点，索与撑杆的连接节点，桁架端部与预应力索连接的铸钢节点以及弯曲钢管的性能都作了专题研究。

精心的设计和研究使这一大跨度结构获得成功，并为这种新型结构的推广打好了基础，积累了经验。

张弦桁架每榀重135t，用钢量为71kg/m2。

（4）在国内首次将结构预警技术应用于建筑工程

结构预警系统是利用传感器和计算机，在重要结构的某些部位安装传感器，测量结构的某些物理量——加速度、速度、位移、应力、应变等，将所测得的这些物理量传至计算机，计算机根据这些物理量推断出结构的工作状态。

同时，计算机还可根据测量的历史记录，推断出结构安全储备和结构的剩余使用寿命。

当结构的安全储备不足或结构的某些量发生不正常的变化时，系统发出警告，提醒人们对结构进行必要的维修加固或采取其他应急措施以避免结构发生灾难性破坏。

广州国际会议展览中心张弦桁架结构跨度达126.6m，为了保证其安全，尝试在上面安装结构预警系统。

该系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件由三个加速度传感器A1、A2、A3及一个激光测距仪S组成，布置在桁架跨中和跨度的1/4和3/4处。

该系统的所有软件均自主开发，具有如下功能：

①实时测取结构的前三个固有频率；

②实时测取结构的位移和内力以及结构的安全状态；

③定时将测量数据及主要分析结果存盘，形成结构工作的历史记录；

④迅速查看结构的工作历史记录。

建筑结构预警系统在国内是首创，在国外也未见报导。

该系统的研发开创了建筑结构监控方面的一个新领域，对保障大跨度建筑、高层建筑等重大建筑的安全有极为重大的意义。

（5）推出一种新型的屋面结构体系

广州国际会议展览中心二层展厅和珠江散步道的屋面面积近10万m2，不仅要求有很好的隔热、防水性能，而且要求有很好的装饰效果。

该屋面面积大，为双向弯曲的曲面而排水坡很小，排水路线很长，最长的达79m，因此防水设计的难度很大。

新设计的屋面结构体系由基层、面层和装饰层构成。

基层是压型钢板+聚氨酯发泡板十三元乙丙聚氨酯防水卷材组成的新型复合板，它本身便有承重、隔热和防水三重功能。

和传统的夹芯板相比，它拼装后的防水性能更好。

在它的上面再做一层3600咬合的压型钢板面层，保证了整个屋面滴水不漏。

在基层上面设计了一种滑动支座，可以让它上面长达138m无横向接缝的面层在温度变化时伸缩自如。

实践证明这种基层和面层构成的屋面体系施工方便，隔热效果好，防水可靠，可以推广应用到其他工程中。

装饰层是建筑造型特别需要的，通过一个特别的铝夹具固定在面层，这个特别的夹具不需穿破面层，而能承受装饰板传来的施工活荷载和风荷载。

（6）开发一种新的抓点式玻璃幕墙

广州国际会议展览中心有近7万m2的玻璃幕墙，统一采用竖向预应力钢索承受玻璃自重，水平交叉预应力索承受风荷载的新型索结构体系；采用新型的有良好隔热效果的镀有低辐射膜的中空玻璃。

玻璃的抓点摒弃了常见的四爪抓点，创造了一种崭新的矩形抓点，这种抓点一样可以固定相邻的四块玻璃的角点，可以适应玻璃的变形，也便于安装和更换玻璃，而外形却十分简捷新颖。

通过有限元分析，并通过荷载试验，证明这种结点安全可靠。

（7）综合应用各种形式的钢结构，满足现代建筑的造型要求

①采用两榀双箱形截面的连续钢拱结构+三角形断面的连续立体钢管桁架结构，构成会展中心标致性的构筑物——中央车站罩篷；

②采用腹板上开椭圆孔的H型钢曲梁结构，构成极具韵律感的卡车通道罩篷；

③采用立体钢管桁架+钢管摆柱，构成高大宽敞而轻巧美观的珠江散步道屋盖和幕墙承重体系；

④采用不带剪刀撑的钢管柱列＋镂空的水平钢梁及支撑，勾画出会展中心“飘”的外柱廊；

⑤围绕设计开展专项研究，取得一批成果。

广州国际会议展览中心面积大、跨度大、荷载大，特别是屋盖结构的张弦桁架跨度为国内之最。

结构设计难度也较大，为了保证结构安全及设计合理、可靠，设计单位与华南理工大学、广州大学、同济大学等单位合作，对一些新技术问题及设计难点问题进行了专门的研究，其中包括：

①张弦桁架性能的研究；

②空间结构大型铸钢节点的研究；

③弯曲钢管性能的研究；

④大直径钢管双K形相贯节点的研究；

⑤带摇摆柱的钢管桁架屋盖结构抗震性能研究；

⑥结构预警系统的研究。

这些研究包括结构计算分析及模型或实体试验，在各方共同努力下，取得了一批有实际意义的研究成果，并应用于本工程的设计中，不但保证和提高了本工程的设计质量和设计水平，而且对提高我国建筑结构设计水平做出了较大的贡献。

2、广州新白云机场GAMECO10号机库

（1）工程概况：

本工程由维修机库、喷漆机库、航材库和与之配套的附楼组合而成，其中机库大厅长350m，进深100m，分为跨度100m＋150m的飞机维修区和跨度100m的喷漆区，屋盖下弦标高29m、局部18m。

机库屋面最大标高为44m，三连续圆弧拱形屋面和前檐弧形外挑勾勒出优美的建筑轮廓（如下图所示）。

该工程机库部分为大跨度建筑，结构特点是高大空旷，屋盖呈三边支撑受力状态，柱顶标高29m，最大无柱空间的平面尺寸250m×80m。

沿大门一侧350m完全开敞，除角柱外仅布置两根边柱，屋盖自由边长度为100m+150m+100m。

该机库的另一结构特点是有多种移动维修设备悬挂在屋盖下弦，同时350m长机库大门完全悬挂于屋盖自由边，其悬挂荷载之大为国内机库之首。

因此本机库屋盖结构受力状态复杂，对变形控制要求高，结构方案选择须充分考虑结构的受力特性，在满足结构强度、刚度和稳定性的同时，还需满足悬挂设

备工作运行和350m长的悬挂大门稳定的要求。

场区的抗震设防烈度为6度，机库大厅的安全等级为一级。

抗震设防类别为乙类建筑，结构抗震设计构造措施按7度。

机库的南、北、西三面均设有附楼，作为机库的配套设施及辅助用房；机库大厅内部由于生产工艺的需要在大厅尾部设钢筋混凝土平台。

附楼及平台为框架结构，层数为二至五层不等（局部六层），主要柱网为8m×8m及8m×12.5m。

根据生产性质、建筑立面需要及结构合理伸缩缝间距，以伸缩缝分成10个结构单元。

（2）设计、技术特点

①屋盖结构

该机库屋盖采用多级桁架结构体系，桁架沿纵、横向分级设置，由多层主、次桁架形成空间受力体系。

各级桁架按受力状态选择其高度和腹杆布置形式，并在不等高的各级桁架上、下弦平面中分别设置水平支撑构件。

多级桁架结构体系受力关系明确、满足变形要求，构造简洁、加工安装方便，且空间杆件少，便于喷漆区屋盖结构中大截面通风管道的穿行布置。

另外在主桁架体系之上还设计了屋面支撑系统，以满足建筑立面设计要求.桁架结构体系中水平支撑系统的设计十分重要。

大跨度机库建筑总高一般都超过40m，水平风荷载及地震作用对结构都会产生很大的影响。

由于机库特殊功能要求，大门一侧全开敞，整个建筑的抗侧力构件布置极不均匀，因此要求屋盖结构有良好的整体刚度，能够合理、有效地传递和分配水平力。

该机库前部大门一侧沿350m长共布置了4根受力柱，后部结合机头、机尾库位置的限制，布置了两列共32根受力柱，柱距从8～45m不等。

在屋盖结构体系中，由于主、次各级桁架跨度及承受的竖向荷载差异很大，因此各级桁架设计高度相差也很大，形成了多层上、下弦平面，设计中在各桁架上、下弦平面和高、低弦层相邻的斜平面内，分别设置了水平支撑构件，并将拱形屋面系统最低区域的水平支撑与桁架相连接，加强了屋盖结构的侧向刚度和整体稳定，以保证水平力的有效传递。

同时，为配合建筑师的设计创作，在主桁架体系之上另设计了一套建筑屋面支撑系统，包括钢柱、梁、檩条及钢柱的垂直支撑和沿弧形屋面布置的水平支撑，构建成稳定的3跨连续圆弧拱形屋面；在大门上方还设计了檐口桁架，使檐口呈弧形外挑，勾勒出优美的建筑轮廓，充分满足了建筑立面设计的要求。

大门是机库结构设计的特色之一，除应满足飞机进出空间要求之外，大门还是整个建筑外围护结构的一部分。

该机库大门开启长度350m，最大开启高度25.5m。

设计选用了在国内民用大跨度机库中未使用过的悬挂上叠式膜材料大门。

共17扇门，每扇门最大宽度20.784m。

悬挂式大门的优点是轻巧、美观，无需门库大门可同时完全开启，相邻门扇可对接，减少门占地，可充分利用建筑面积。

此外，悬挂式大门使各区段门高可依据大型飞机进出安全高度而设定，在满足使用要求的前提下可控制门高，节约能源，又避免了传统推拉门上部设置小门的做法，简化施工，方便使用。

但因其自重悬挂在屋盖前沿，给钢屋盖设计增加了难度，提高了对门口桁架承载力和变形的要求。

②基础设计方案

在基础方案的确定过程中，根据机库大厅柱及附楼柱的受力特点和地质条件，对每个钻孔的土、岩层情况进行了认真的分析比较。

该机库地处珠江三角洲北部，为亚热带覆盖型岩溶地区，水文地质条件极为复杂。

根据勘察报告，南侧多为全风化岩和强风化岩，其下的中风化岩层不连续，微风化岩岩面起伏很大；北侧多为回填土、粉质黏土、粗砂层，其下即为中风化灰岩和微风化灰岩，岩性以砂岩、泥质粉砂岩、炭质页岩、页岩、泥质灰岩、炭质灰岩为主。

同时，建设场地分布有大量的溶洞。

整个机库南北长达400m，从机库到附楼，仅柱底轴力设计值由59843.3kN到400～500kN变化，桩端（基础）持力层深度从40多米到基岩露头，只有经多方案比较并结合不同的受力状况、土层分布采取不同的基础方案，才能取得合理、经济的效果。

典型的基础方案如下：

机库大厅柱下的全强、风化岩层厚度分布不均且不连续，中、微风化岩层的岩面起伏大，为保证机库主体结构的安全性，因此确定机库大厅柱下均采用钻（冲）孔灌注桩。

6个主受力柱由于垂直和水平荷载大，为嵌岩端承桩，持力层为微风化岩，桩径为φ1000和φ1200两种，桩进入持力层的深度为1.5d（d为桩径）。

其余机库柱为摩擦端承桩或端承摩擦桩基础，持力层为中风化或微风化岩，桩径为φ800，桩进入持力层的深度为500mm。

北附楼及西北附楼由于其下多为粗砂层和粉质黏土层，无可靠的天然地基持力层，因此采取钻（冲）孔灌注桩，为摩擦端承桩或端承摩擦桩基础，持力层为中风化或微风化岩，桩径为φ800，桩进入持力层的深度为500mm。

南附楼、西南侧、西侧中部附楼下多为全风化岩和强风化岩层，基础是否可以选用全风化和强风化岩层做持力层?

对此做了一些深入细致的工作，进行了方案比较。

但由于该场地的全风化岩、强风化岩有其地区特点，遇水易软化和崩解，当基坑晾晒时间过长时承载力会降低，其压缩模量E值较低，分别为7MPa和8MPa。

根据此值进行独立柱基的沉降计算，如南侧附楼中柱采用天然地基，持力层为强风化岩，计算出的沉降值约为108mm，而机库柱下为桩基础，几乎没有沉降，两柱相距8m，沉降差不满足框架结构0.2％的要求。

据此最终也采用钻（冲）孔灌注桩基础。

持力层为中风化或微风化岩，桩径为φ800，桩进入持力层的深度为500mm。

另外，对中、微风化岩露头和埋深较浅的区域按独立基础设计，36～40轴间的西北附楼有一层地下室，其下为中风化岩层，采用筏板基础。

由于机库柱底有较大的水平力，因此在桩基础的设计中不仅要考虑竖向承载力，还要考虑水平承载力能否满足上部结构的要求。

还由于建设场地的地质情况比较复杂，基岩面坡度较大。

为了保证水平力的正常传递和桩抗水平力的安全性，加强基础的整体刚性，增强结构整体的安全，在所有桩基础间设置了基础梁，有柱问支撑的桩基础间设置了钢筋混凝土压杆。

另外，据了解广州地区无单桩水平静载试验方面的经验资料及试验数据，因此将φ000和φ1200的桩身配筋率控制在0.65%以上，使桩的水平承载力设计值满足柱底对桩基础的水平承载力要求。

3、哈尔滨国际会展体育中心

本工程为哈尔滨国际会展体育中心（如下图所示），位于哈尔滨市经济技术开发区内，地理位置优越。

建设用地西临红旗大街，东临南直路，南为长江路，北为黄河路，泰山路从场地内穿过。

由于基地四周均为城市干道，基础设施良好，交通便利、通达。

张弦桁架结构简图

本工程属超大型公共建筑，总用地43.72hm2。

建设总规模为：

建筑面积321943m2，五万人体育场。

本工程集会议、展览、体育训练与比赛功能为一体，建筑群由三部分组成：

1号工程为主馆，2500个国际标准展位的国际展览中心、综合训练馆、体育馆。

2号工程为国际会议中心、宾馆，含1800座会议厅兼剧场及多种规模的会议厅；38层总高度169.7m的四星级宾馆。

3号工程为五万人体育场。

哈尔滨国际会议展览体育中心主馆纵向总长度为618m，横向长度为128m（主跨大厅）+20m（附属玻璃长廊）。

建筑纵向两端为附属功能用房，下部为混凝土结构，屋面结构为两片曲面网架。

建筑中部由相同的35榀128m跨的张弦桁架覆盖，桁架间距为15m，共分成5个矩形空间，它们彼此互相独立，左边3个矩形空间为单层展览大厅，第4与第5个矩形空间分别为训练馆和万人体育馆。

训练馆和体育馆内部为2层结构，内部的楼层为独立的混凝土结构，在传力上与屋盖主体结构不发生关系。

这5个矩形空间由前端的20m宽玻璃长廊连接交通，该玻璃长廊为轻型钢结构体系，整个主馆建筑四周均由玻璃幕墙围合。

显而易见，128m跨的预应力张弦桁架是整个主馆结构设计中的关键内容。

哈尔滨国际会议展览体育中心3号工程是一座5万人的国际标准综合体育场，体育场沿长轴两边看台上方各有一片罩篷结构，这两片罩篷结构形式完全相同。

该罩篷结构为三维曲面造型，纵向长度为247.5m，横向最大长度64.2m，每片罩篷面积约15000m2。

1号工程主馆用钢量为67kg/m2，3号工程体育场用钢量为114kg/m2。

其设计特点如下：

主馆中央部分的5个独立空间单元结构形式是相同的，只是根据建筑功能的要求每个空间单元馆的桁架榀数不同，下图给出了作为展览大厅的3个单元的具体结构布置。

每个单元由数榀完全相同的张弦桁架通过支撑系统连接成整体，由于张弦桁架为平面受力构件，跨度大并且刚度较弱，平面外需要有强大的支撑。

桁架间的支撑由5道均匀布置的纵向刚性支撑和沿单元周边布置的平面交叉支撑组成，其中纵向刚性支撑也为空间桁架形式。

预应力张弦桁架由前端的人字形摇摆柱和后端的刚性柱支承，桁架与刚性柱之间连接为固定铰支座，摇摆柱使桁架与下部结构间形成了理想的可动铰支座，使超大跨度的张弦桁架的整体受力形成理想的简支形式，这样可以很好地释放桁架中的温度应力，同时可以不对下部结构产生较大推力，大大简化下部结构和基础结构的设计。

前端的人字柱既可以传递竖向力，又可以为建筑物提供足够强大的纵向刚度，从建筑造型和结构受力上看都是比较理想的。

大厅前立面玻璃幕墙的支撑桁架（抗风柱）上端与张弦桁架连接在一起，并采用了一种专门设计的连接构造，使两者间仅传递水平向力，竖直向不传力，这样近30m高的幕墙支撑桁架得到可靠的水平支承，又可以不负担屋面的竖向荷载，使二者的受力都比较明确。

张弦桁架上弦杆截面为φ480×24，桁架中部下弦杆件截面为φ480×12，接近支座处下弦杆件为φ480×24，材质为Q345B，桁架弦杆与腹杆间为相贯焊接连接。

张弦桁架拉索选用439φ7，截面面积为：

16895mm2，张弦桁架中拉索为高强度低松弛镀锌钢丝束，其抗拉强度为1570MPa，拉索锚具采用40Cr钢。

为了受力更合理，将张弦桁架的拉索锚固端节点设置在桁架的形心处，使得拉索中的拉力由相交于一点的5根桁架腹杆直接传递到桁架弦杆上，同时也简化了拉索锚固端节点的构造。

为了方便施工，张弦桁架与摇摆柱，张弦桁架与纵向支撑问的连接大量采用了销栓式连接。

张弦桁架中的一些受力复杂的关键节点采用铸钢件，节点处避免了产生复杂焊接温度应力，如：

桁架与索两端的连接节点、索与桁架下弦杆件相交节点、桁架两端支座节点等。

本工程中的罩篷结构设计时，需要满足中标建筑方案的一些具体要求：

（1）由于下部钢筋混凝土看台结构出挑较大，不能为罩篷提供支座，罩篷结构的支承结构要完全独立于看台结构；

（2）建筑效果要求，罩篷支承点越少越好；

（3）罩篷结构外观曲面平滑流畅，具有较强个性，结构构件布置简洁明了，具有较强观赏性等。

为了达到以上目的，体育场罩篷结构，由前端边缘变截面抛物线格构式拱与后端边缘变截面空间曲梁形成主体受力构件，前拱与后曲梁间通过12道巨型网格空间桁架连成完整的空间受力体系，使得结构受力明确，造型简洁。

屋面荷载通过横向桁架传递到前端拱和后端曲梁上，拱与曲梁在拱脚处相交于一点，两者的合力传递给拱脚，曲梁还通过跨中的4个支座（水平可滑移）分担一部分荷载，同时也减小了曲梁的跨度。

前拱为典型的两脚拱，跨度247.5m，矢高48.4m，矢跨比接近1/5。

该拱倾斜放置，与水平面夹角65°。

拱截面为菱形截面，拱中部截面高为12m，宽为7.2m，拱截面由中部沿拱中心线向两边按照平滑的曲线逐渐减小，最终汇合成一点。

后端空间曲梁截面同样为菱形，中部高为9m，宽为5.4m，曲梁截面也沿中心线向两端逐渐减小，最后与前拱相交。

前拱和后部曲梁在建筑造型上十分流畅，具有较强的美感。

连接拱和曲梁间的12道横向桁架，结构形式一样，为三角形截面的空间桁架，桁架跨度随罩篷的曲线而变化，桁架宽度约7m，高度随桁架跨度变化，罩篷中间最大跨桁架的高度接近6m，随着跨度的减小，桁架高度跟随拱和曲梁的截面而变小，这与这些桁架的受力特点相吻合。

由于罩篷中拱、曲梁和桁架的截面尺寸均较大，相应的各构件的节间划分尺寸也较大，形成了这种统一的巨型网格划分形式，这也是本罩篷结构的特点之一。