[分享]框架+巨型钢桁架组合弦支网壳结构结构设计

时间: 2020-07-29 11:09 阅读: 次大中小

来源：同济设计四院

项目信息

建设地点：浙江省绍兴市柯桥区

建设单位：绍兴金沙旅游发展有限公司

设计单位：同济设计集团（建筑设计四院+工程技术研究院）

施工单位：上海宝冶集团有限公司

结构类型：混凝土框架+巨型钢桁架组合弦支网壳结构

最大跨度：山馆160m，水馆228m

建筑面积：54.7万㎡

所获荣誉：2018中国建筑学会建筑设计奖•结构专业一等奖

中国建筑学会科技进步一等奖

上海市建筑学会科技进步二等奖

夜景效果图

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鸟瞰效果图

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绍兴金沙•东方山水国际商务休闲中心是由上海华昌集团投资、上海宝冶集团施工建造的大型文旅综合体，总建筑面积54.7万平米。

作为浙江省重点工程，本项目由同济设计集团建筑设计四院与工程技术研究院联合设计，项目团队在设计和施工过程中克服了一系列困难，获得了业内的一致好评，在国内创造了良好的口碑和社会影响，先后获得2018中国建筑学会建筑设计奖•结构专业一等奖、中国建筑学会科技进步一等奖和上海市建筑学会科技进步二等奖等奖项。本期构思将对其中的山馆和水馆的设计进行介绍。

工程概况

项目位于绍兴市柯桥区柯岩街道，其中地上单体场馆总建筑面积9万平方米，包括A、B、C（水馆）、D、E（山馆）、F馆6个独立场馆。

水馆（C馆）为大空间游乐场，总建筑面积约3.2万平米，主要建筑功能为水上乐园，设置环流河、海浪池等大型水上项目。山馆（E馆）为室内游乐场，总建筑面积4.2万平方米，设置过山车、跳楼机、单轨电车等游乐项目。

水馆建筑外观为一大体量扁平椭球体，屋盖纵向长度为228m，横向最大宽度为137m，中央最高处标高为30m，整个屋盖落于地下室柱顶即0.000标高处。

水馆尺寸图

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山馆（E馆）屋盖形态为一异形椭球体上叠加另一椭球体。上方屋盖的平面投影为椭圆形，长轴80m，短轴50m，顶最高处标高为52.8m，矢高22m，矢跨比约1/4；下方屋盖的平面投影为一近似鹅蛋形，长轴160m，短轴最宽处110m，矢高32m，矢跨比约1/5。周边外围的墙面结构下包至8m的混凝土大平台上。

山馆尺寸图

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建筑意向

意向照片

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实景照片

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结构构思

结构难点与挑战

1）跨度巨大——水馆壳体平面尺度228mx137m，为国内第一。

2）形态特征——屋盖矢跨比较合理，但中部区域平坦，受弯作用显著，因此需加强中部区域的竖向抗弯刚度。

3）变形要求——屋盖中央设大面积的采光玻璃天窗，因玻璃对变形比较敏感，业主和建筑师希望在满足规范挠跨比限制（1/400）的前提下，进一步提高竖向刚度（提高至1/500）。

4）净高要求——屋盖内部设有较高的娱乐设施，因此屋盖结构厚度应适当控制，以满足净空要求。且应结合马道来布置结构，使室内空间尽量美观和谐。

5）造价控制——业主考虑钢屋盖的造价控制，希望用钢指标不高于140kg/m2。

6）设计手段——本工程体量跨度巨大，建模工作量大，需采用合理的建模和分析手段，提高结构方案比选效率。

初步构思方案

建筑造型的寓意使得结构方案应进行可能通透、简洁；而巨大的跨度与扁平的形态又要求结构传力高效、合理。综合考虑后，借鉴巨型结构体系的概念，提出“主骨架+次结构”的结构方案思路，采用径向与环向三管桁架主骨架+环向与径向平面桁架次骨架。

缺点：次骨架传力路径不明确，平面桁架布置过多，大大影响室内观感。用钢量大。

过程构思方案

径向与环向三管桁架主骨架+环向平面桁架次骨架+联方形次网格

室内观感改善，抗扭刚度增加。

缺点：中央正交桁架影响顶部观感，次桁架依旧不够简洁。

结构体系构思草图

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实施结构方案

径向与环向三管桁架主骨架+中央弦支穹顶+联方形次网格。

优点：将各分体系的优点进行有机组合，结构体系简洁，中央区域弦支穹顶，刚度良好采光效果好，屋盖经济性良好。

通过多轮方案比选，最终采用“巨型钢桁架组合弦支网壳结构”。这是一种较新颖的组合结构形式，借鉴了巨型结构体系的概念，采用“主骨架+次结构”结构形式，结构体系构成图如下：

主骨架结构由环向桁架和径向桁架组成，其中中央的环形桁环桁架处于屋盖中央，受压巨大，通常需要加强环桁架上下弦杆的截面，提高刚度和承载力，从而与径向主桁架一同构成可单独成立并能承受竖向荷载的主骨架。

在相邻径向主桁架间，布置由环梁和斜支撑构成的联方型单层网壳，作为次结构。该次结构一方面可独立承担自身区域范围内的竖向荷载和水平荷载，另一方面又可为径向主桁架提供较强的侧向支撑，进而提高结构的整体稳定性，改善内力分布。

将巨型钢桁架结构与其它结构体系混合应用，水馆在结构中央扁平区域使用弦支穹顶结构，外部形态作用较强的部位使用“主骨架+次结构”的壳体结构。采用创新的组合结构体系可以充分发挥结构的形态效应，使结构的大部分构件为轴心受力构件，在确保结构安全的前提下，最大限度的降低结构材料用量。

将巨型钢桁架结构与其它结构体系混合应用，山馆在屋盖中央顶部使用叠合单层网壳，采用创新的组合结构体系可以充分发挥结构的形态效应，使结构的大部分构件为轴心受力构件，在确保结构安全的前提下，最大限度的降低结构材料用量。

水馆、山馆交接处理

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施工过程实景照片

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竣工运营实景照片

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结构设计

静力特性

1）结构变形

屋盖中央弦支穹顶结构上方材料为玻璃，设计时采用的挠跨比限值[1/500]。屋盖中央节点最大挠跨比1/610，满足限值要求；径向主桁架最大挠跨比1/610, 满足限值要求；屋盖相对挠跨比最大值1/670, 满足限值要求。

2）典型结构单元内力

竖向荷载作用下，径向主桁架落地处下弦受拉、上弦受压，说明竖向荷载作用下，径向主桁架呈外扩的趋势。径向主桁架其余位置下弦受压、上弦受拉，这是因为径向主桁架立面呈拱形，中央部位平缓，承受竖向荷载时在地面向上第五节间附近产生负弯矩，从而使得下弦受压受弯、上弦受拉，再叠加因拱作用在弦杆中形成的压力，故使下弦的压力远大于其他杆件。

环桁架上弦均受压，这是因为屋盖钢结构整体成椭球型，环桁架位于屋盖顶部，竖向荷载作用下，呈下挠趋势，承受径向主桁架与屋面单层网壳向内的挤压作用。

短跨方向环桁架下弦受拉，长跨方向环桁架下弦受压，这是因为环桁架下弦面内只受径向主桁架下弦约束，平面呈椭圆形，在径向主桁架的挤压作用下，环桁架下弦不会像正圆一样发生均匀压缩，而是长跨方向下弦被向内挤压，短跨方向下弦则承受相对的拉伸作用。

竖向荷载作用下，屋盖联方型单层网壳均受压弯，但弯矩很小，说明结构主要以轴向刚度抵抗外荷载作用，结构空间传力和壳体作用明显。

屋面环梁内部两圈受压，向外逐部过渡到受拉，这与径向主桁架以及弦支穹顶结构的变形趋势一致。内部两圈环梁因处于屋盖中央，承受因弦支穹顶下挠产生的向内的挤压作用。

竖向荷载作用下，径向主桁架有外扩的趋势，屋面环梁相应产生外扩趋势，承受拉伸作用，且越向外拉伸作用越大，因此，外圈环梁受拉，且拉力越向外越大，起了环箍作用。

动力特性

由屋盖钢结构的自振特性可以看出，前三阶均为整体竖向振动，没有出现扭转振动，说明屋盖结构整体抗扭刚度较好

温度作用分析

1）对变形的影响

温度对屋盖结构的挠度影响较大，结构壳体作用明显。

升温时结构有向外膨胀的趋势；降温时结构有向内收缩的趋势，各测点挠度均增大。

2）对结构受力的影响

单独温度作用下，钢结构杆件应力比超过0.2的杆件数只占10.1%，而应力比小于0.1的杆件数占总数的64.5%，可见绝大部分杆件的应力比受温度作用的影响较小。

应力比大于0.4的杆件为环桁架上弦与中央弦支穹顶环梁，这是因为这部分杆件位于屋盖中央，面内刚度大，所产生的温度内应力大。

3）对支座反力的影响

温度作用下，长轴方向上弦竖向反力改变值达120%，下弦竖向反力改变值达60%；短轴方向上弦竖向反力改变值达30%，下弦竖向反力改变值达8%。

温度作用对支座竖向反力的影响十分明显，且对长轴方向主桁架的影响更大。

中央弦支穹顶研究

1）下部结构单独分析

上部弦支穹顶结构能够增强下部钢屋盖的竖向刚度，减小结构的竖向挠度，并且对长跨方向杆件的约束作用要大于对短跨方向杆件的约束。

2）中央弦支穹顶单独分析

整体模型中A点的相对挠度满足[1/500]的挠度要求，说明下部结构能够对上部弦支穹顶结构提供足够的竖向弹性支承，且上部弦支穹顶单独模型分析也是可以成立的，并且刚度较好。

弹塑性极限承载力分析

仅考虑结构整体初始缺陷时，弹塑性临界荷载因子为3.75；如将单根构件打断，考虑构件层面的初始缺陷时，弹塑性临界荷载因子为3.02，表明结构的极限承载力较强。

材料非线性对结构整体极限承载能力起控制作用，结构最终是由于较多杆件进入塑性而无法继续承载，属于强度破坏。在结构强度破坏前，结构并未发生整体失稳和局部失稳，表明结构稳定性较好。

在荷载因子达到3.1时，荷载-位移曲线出现了转折点，表明此时由于有一部分关键杆件进入塑性而导致结构的刚度有较大削弱。

结构达到极限因子3.75时，结构中央挠度达1320mm，按短跨计算的挠跨比约为1/90，已远超过正常使用极限状态的限值（1/400）。

1）塑性发展机制

2）活荷载不利布置的影响

半跨活荷载对结构的弹塑性极限承载力影响不大，这是因为结构沿径向布置了主桁架，为主受力结构，单层网壳的稳定并不控制结构的极限承载力，结构最终还是由于主桁架上下弦大面积进入塑性而丧失承载能力。

索夹节点

索夹是弦支穹顶结构中竖向撑杆、径向钢拉杆及环向拉索的交汇点，是下弦环索将预应力转换为对上部网壳支承力的关键节点。椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，而索夹节点的抗滑性能将直接影响结构承载能力。

通过专项试验研究，椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，试验索夹选取最外环斜角部位索夹，节点两侧环索不平衡索力最大值为203kN。索夹最小抗滑承载力为350kN，大于索夹节点两端最大不平衡力203kN，安全系数为1.75，索夹抗滑移性能满足工程要求。

1）索夹抗滑移试验研究

实景照片

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支座节点

抗震球形钢支座为巨型钢桁架结构的重要组成部分，它不但影响着巨型钢桁架结构的实际受力性能，而且影响建筑的实际效果。巨型桁架结构底部与下部混凝土大平台相连，为了减小上部结构对下部结构的弯矩作用，采用释放弯矩的新型的抗震球形钢支座。

参数化建模及二次开发

本项目参数化建模难点在于椭球面的巨型钢桁架结构。其几何形状决和混合结构的特点使得结构构成复杂，难以通过传统方式建立大量可供研究的模型。

设计中利用APDL编程语言和Grasshopper、GC等新型可视化参数设计平台对结构进行基于程序逻辑，并与可与建筑方案设计成果对接的参数化模型，通过少量几个参数快速对模型进行修改。同时为实现模型导入SAP的便利性和准确性，设计团队在SAP2000软件上自主开发了分析模型转换程序工具StructuralAnalysis Bridge（SAB），极大的提高了工作效率。