哈尔滨国际会议展览体育中心主馆屋盖钢结构设计_范峰
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结构上作用的荷载有预应力 、结构自重 、屋面及天 窗荷载 、设备悬挂荷载 、屋面活荷载或雪荷载 、风荷载 、 温度及地震作用 。荷载标准值具体如下 :屋面恒荷载
图 3 展览中心结构平面总布置 (左半部分)
2
(屋面板 ,檩条) 为 0140kNΠm2 ;屋面恒荷载 (下弦悬挂荷 载) 取 0150kNΠm2 ; 屋面活荷载为 0150kNΠm2 ; 基本风压 取 0165kNΠm2 ;基本雪压为 0150kNΠm2 ;地震作用按 7 度 近震考虑 ;温度作用取 ±30 ℃。
结构分析时 ,将张弦桁架 、人字形摇摆柱与玻璃幕 墙支撑桁架 (抗风柱) 整体分析 ,构件中除拉索为索单 元外 ,其它构件均为杆单元 ,分析采用通用有限元程序 ANSYS 和自主开发的前后处理接口程序进行 ,所有分 析均考虑了几何非线性 。通过所有组合工况的分析 , 桁架中最大受压杆件为接近两端支座的下弦杆 ,压应 力值为 199MPa ,最大受拉杆件为拉索锚固节点连接的 斜腹杆 ,拉应力值为 226MPa 。桁架上下弦杆的受力较 均匀 ,这是由于拉索对桁架预压力和桁架受弯共同作 用的结果 。拉索中的最大拉应力为 601MPa ,最大应力 比为 0138 ,拉索的材料强度已充分利用 。桁架跨中最 大初始反拱值为 9818mm ,最大水平位移在桁架前端支 座处 (与摇摆柱相连支座) ,为 24018mm ,结构柱顶水平 侧移比值 ΔΠh 为 1Π124 。桁架最大挠度在桁架跨中节
结构分析时考虑了以下 7 种静力荷载工况 :1) 恒 载 + 活载 + 左风 + 正温差 ;2) 恒载 + 活载 + 右风 + 正 温差 ;3) 恒载 + 活载 + 左风 + 负温差 ;4) 恒载 + 活载 + 右风 + 负温差 ;5) 恒载 + 风吸力 ;6) 恒载 + 活载 ;7) 恒 载 + 活载 + 正温差 。其中左风 、右风为沿结构横向的 风荷载 。
张弦桁架上弦杆截面为 <480 ×24 ,桁架中部下弦 杆件截面为 <480 ×12 ,接近支座处下弦杆件为 <480 × 24 ,材质均为 Q345B ,桁架弦杆与腹杆间为相贯焊接连 接 。张弦桁架拉索选用 439 <7 ,截面面积为16 895mm2 , 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1 570MPa ,拉索锚具采用 40Cr 钢 。为了使受力 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 弦桁架与纵向支撑间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 , 避免在节点处产生复杂的焊接温度应力 ,如桁架与索 两端的连接节点 、索与桁架下弦杆相交节点 ( 图 4 (a) ) 等 。张弦桁架部分节点如图 4 所示 。 3 结构分析与设计
40 ,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 (图 4 (b) ) ,使两者间仅传递水平向力 ,竖直向不传 力 ,这样高近 30m 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 。
第 38 卷 第 2 期
建 筑 结 构
2008 年 2 月
哈尔滨国际会议展览体育中心主馆屋盖钢结构设计
范 峰 支旭东 沈世钊
(哈尔滨工业大学土木工程学院 150090)
[提要 ] 哈尔滨国际会议展览体育中心是国内在建和已建成的展览类建筑中规模较大的一个 。主要介绍了 其组成及结构形式 ,主馆大跨钢结构的设计过程 。重点阐述了主馆大跨张弦桁架体系的结构特点和设计中参 数的选择 ;应用 ANSYS 软件及自主开发的辅助接口程序 ,对主体钢结构进行了细致的受力分析 。在优化设计 的基础上 ,对施工过程进行了全过程数值模拟 ,有效地指导了施工中的预应力张拉的实时监测和施工调整控 制 。分析了张弦桁架的施工稳定性 ,同时总结了该类结构体系的一些设计特点 。 [ 关键词 ] 钢结构 张弦桁架 ANSYS 软件 施工数值模拟 施工控制
1 工程概况 哈尔滨国际会议展览体育中心 ,总建筑面积 44 万
m2 ,是集会议 、展览和体育功能于一体的综合型公共设 施 ,是国内在建和已建成的展览类建筑中规模较大的 一个 ,也是第一个由国内设计单位独立完成设计的大 型展览类建设项目[1 ,2] 。该建筑群从总体上分为三大 独立建筑单元 ,各单元间建筑功能和结构组成均相互 独立 。单元一为主馆 (见图 1) 由结构形式相同的展览 大厅 、训练馆和万人体育馆连成一体的主体建筑 ,结构 详见图 2～3 。单元二为会议中心和高层宾馆 。单元三 为能容纳五万观众的综合体育场 。
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 。单元之间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 。
玻璃幕墙支撑桁架 (抗风柱) 在实际使用过程中与 主体结构共同作用 ,结构分析时需要整体分析 。但张 弦桁架对幕墙支撑桁架的受力影响是很大的 ,为了减 小张弦桁架对支撑桁架的水平推力 ,设计中要求在主 体结构完全安装就位 ,并施加完所有恒荷载后 ,才将幕 墙支撑桁架与张弦桁架相连 ,这样只剩下主体结构活 荷载作用对其的影响 。结构分析时 ,按上述过程进行 了模拟 ,结果表明 ,采取这一措施后 ,大大减小了主体 结构传递过来的水平推力 。
哈尔滨市 50 年一遇基本雪压为 0150kNΠm2 ,由于 屋面横向跨度过大 (接近 150m) ,而且在每榀张弦桁架 位置 处 屋 面 设 有 天 窗 , 天 窗 沿 横 向 布 置 , 长 度 约 为 90m ,屋面未考虑设置自动除雪设备 ,这些因素对屋面 除雪不利 ,因此 ,结构设计时需要重视屋面积雪的影 响 ,雪荷载分布系数取值为 116 。由于结构形式的特 点 ,初始预张力对张弦桁架的内力和初始变形影响较 大 ,合理确定初始预张力应综合考虑以下因素 :1) 在各 可能工况下 ,索应保持拉力 ,且不超过规定的应力比 ; 2) 过小的预张力使索不能拉直 ;3) 过大的预张力使索 张拉施工不便 ;4) 不应产生过大的反拱值 。经过多方 案分析比较后 ,最终确定初始预张力为1 770kN。
图 1 主馆内景
图 2 主馆预应力张弦桁架立面及组合
主馆结构平面 (左半部分) 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 ,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
预应力张弦桁架由前端的人字形钢摇摆柱和后端 的混凝土结构柱支承 ,桁架与混凝土结构柱之间连接 形式为固定铰支座 。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 在纵向为交叉布置 ,在传递竖向力的同时 ,又可以为建 筑物提供足够大的纵向刚度 。人字柱截面沿长向梭形 变化 ,截面由最大处的 <813 ×20 过渡至端部的 <450 ×
百度文库
1
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 个矩形空间由一侧的宽 20m 玻璃长廊连接 交通 ,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设计 中的关键内容 。除了常规静力设计外 ,其施工稳定性 以及预应力张拉控制问题在设计中也相对突出[3 ,4] , 下面重点介绍 。 2 主要结构形式介绍
Design of String Structure in Harbin International Conference Exhibition and Sports CenterΠFan Feng , Zhi Xudong , Shen Shizhao (School of Civil Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090 , China) Abstract :Harbin international conference exhibition and sports center is a comprehensive public service. It is a larger one among the domestic exhibition architectures which are under construction and constructed. The composition , the structural form and the design process of the large2span steel structure of the main exhibition center are introduced. The selection of design parameters of the large2span truss cable structural system of the main exhibition center is presented. By utilizing the software ANSYS and the self2developed assistant interface programs , load2bearing analysis of the main steel structure is carried out. On base of the optimizing design , the whole2course numerical simulations in construction are carried out , which effectively guides the synchronized monitoring of pretension and adjusting control in construction. The stability of truss cable structure in construction is analyzed and several design characteristics of this kind of structural system are concluded. Keywords :steel structure ; truss cable structure ; numerical simulation ; construction ; design
点 ,为 51912mm ,挠跨比 fΠL 为 1Π246 。可以看出 ,结构 水平及竖向刚度均偏柔 ,结构截面选择是由刚度控制 的 ,水平侧移及竖向挠度均稍超出规范限值[6] 。分析 结果还表明 :在无风荷载作用时结构受力不利 ,风荷载 向上较大的吸力抵抗了部分竖向恒荷载和活荷载 ,对 结构是有利的 ;温度作用对结构竖向挠度影响不大 ,对 水平侧移有影响 ,正温差不利 ,负温差有利 ,由于前端 摇摆柱的作用 ,温度作用对构件内力的影响很小 。
图 3 展览中心结构平面总布置 (左半部分)
2
(屋面板 ,檩条) 为 0140kNΠm2 ;屋面恒荷载 (下弦悬挂荷 载) 取 0150kNΠm2 ; 屋面活荷载为 0150kNΠm2 ; 基本风压 取 0165kNΠm2 ;基本雪压为 0150kNΠm2 ;地震作用按 7 度 近震考虑 ;温度作用取 ±30 ℃。
结构分析时 ,将张弦桁架 、人字形摇摆柱与玻璃幕 墙支撑桁架 (抗风柱) 整体分析 ,构件中除拉索为索单 元外 ,其它构件均为杆单元 ,分析采用通用有限元程序 ANSYS 和自主开发的前后处理接口程序进行 ,所有分 析均考虑了几何非线性 。通过所有组合工况的分析 , 桁架中最大受压杆件为接近两端支座的下弦杆 ,压应 力值为 199MPa ,最大受拉杆件为拉索锚固节点连接的 斜腹杆 ,拉应力值为 226MPa 。桁架上下弦杆的受力较 均匀 ,这是由于拉索对桁架预压力和桁架受弯共同作 用的结果 。拉索中的最大拉应力为 601MPa ,最大应力 比为 0138 ,拉索的材料强度已充分利用 。桁架跨中最 大初始反拱值为 9818mm ,最大水平位移在桁架前端支 座处 (与摇摆柱相连支座) ,为 24018mm ,结构柱顶水平 侧移比值 ΔΠh 为 1Π124 。桁架最大挠度在桁架跨中节
结构分析时考虑了以下 7 种静力荷载工况 :1) 恒 载 + 活载 + 左风 + 正温差 ;2) 恒载 + 活载 + 右风 + 正 温差 ;3) 恒载 + 活载 + 左风 + 负温差 ;4) 恒载 + 活载 + 右风 + 负温差 ;5) 恒载 + 风吸力 ;6) 恒载 + 活载 ;7) 恒 载 + 活载 + 正温差 。其中左风 、右风为沿结构横向的 风荷载 。
张弦桁架上弦杆截面为 <480 ×24 ,桁架中部下弦 杆件截面为 <480 ×12 ,接近支座处下弦杆件为 <480 × 24 ,材质均为 Q345B ,桁架弦杆与腹杆间为相贯焊接连 接 。张弦桁架拉索选用 439 <7 ,截面面积为16 895mm2 , 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1 570MPa ,拉索锚具采用 40Cr 钢 。为了使受力 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 弦桁架与纵向支撑间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 , 避免在节点处产生复杂的焊接温度应力 ,如桁架与索 两端的连接节点 、索与桁架下弦杆相交节点 ( 图 4 (a) ) 等 。张弦桁架部分节点如图 4 所示 。 3 结构分析与设计
40 ,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 (图 4 (b) ) ,使两者间仅传递水平向力 ,竖直向不传 力 ,这样高近 30m 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 。
第 38 卷 第 2 期
建 筑 结 构
2008 年 2 月
哈尔滨国际会议展览体育中心主馆屋盖钢结构设计
范 峰 支旭东 沈世钊
(哈尔滨工业大学土木工程学院 150090)
[提要 ] 哈尔滨国际会议展览体育中心是国内在建和已建成的展览类建筑中规模较大的一个 。主要介绍了 其组成及结构形式 ,主馆大跨钢结构的设计过程 。重点阐述了主馆大跨张弦桁架体系的结构特点和设计中参 数的选择 ;应用 ANSYS 软件及自主开发的辅助接口程序 ,对主体钢结构进行了细致的受力分析 。在优化设计 的基础上 ,对施工过程进行了全过程数值模拟 ,有效地指导了施工中的预应力张拉的实时监测和施工调整控 制 。分析了张弦桁架的施工稳定性 ,同时总结了该类结构体系的一些设计特点 。 [ 关键词 ] 钢结构 张弦桁架 ANSYS 软件 施工数值模拟 施工控制
1 工程概况 哈尔滨国际会议展览体育中心 ,总建筑面积 44 万
m2 ,是集会议 、展览和体育功能于一体的综合型公共设 施 ,是国内在建和已建成的展览类建筑中规模较大的 一个 ,也是第一个由国内设计单位独立完成设计的大 型展览类建设项目[1 ,2] 。该建筑群从总体上分为三大 独立建筑单元 ,各单元间建筑功能和结构组成均相互 独立 。单元一为主馆 (见图 1) 由结构形式相同的展览 大厅 、训练馆和万人体育馆连成一体的主体建筑 ,结构 详见图 2～3 。单元二为会议中心和高层宾馆 。单元三 为能容纳五万观众的综合体育场 。
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 。单元之间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 。
玻璃幕墙支撑桁架 (抗风柱) 在实际使用过程中与 主体结构共同作用 ,结构分析时需要整体分析 。但张 弦桁架对幕墙支撑桁架的受力影响是很大的 ,为了减 小张弦桁架对支撑桁架的水平推力 ,设计中要求在主 体结构完全安装就位 ,并施加完所有恒荷载后 ,才将幕 墙支撑桁架与张弦桁架相连 ,这样只剩下主体结构活 荷载作用对其的影响 。结构分析时 ,按上述过程进行 了模拟 ,结果表明 ,采取这一措施后 ,大大减小了主体 结构传递过来的水平推力 。
哈尔滨市 50 年一遇基本雪压为 0150kNΠm2 ,由于 屋面横向跨度过大 (接近 150m) ,而且在每榀张弦桁架 位置 处 屋 面 设 有 天 窗 , 天 窗 沿 横 向 布 置 , 长 度 约 为 90m ,屋面未考虑设置自动除雪设备 ,这些因素对屋面 除雪不利 ,因此 ,结构设计时需要重视屋面积雪的影 响 ,雪荷载分布系数取值为 116 。由于结构形式的特 点 ,初始预张力对张弦桁架的内力和初始变形影响较 大 ,合理确定初始预张力应综合考虑以下因素 :1) 在各 可能工况下 ,索应保持拉力 ,且不超过规定的应力比 ; 2) 过小的预张力使索不能拉直 ;3) 过大的预张力使索 张拉施工不便 ;4) 不应产生过大的反拱值 。经过多方 案分析比较后 ,最终确定初始预张力为1 770kN。
图 1 主馆内景
图 2 主馆预应力张弦桁架立面及组合
主馆结构平面 (左半部分) 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 ,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
预应力张弦桁架由前端的人字形钢摇摆柱和后端 的混凝土结构柱支承 ,桁架与混凝土结构柱之间连接 形式为固定铰支座 。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 在纵向为交叉布置 ,在传递竖向力的同时 ,又可以为建 筑物提供足够大的纵向刚度 。人字柱截面沿长向梭形 变化 ,截面由最大处的 <813 ×20 过渡至端部的 <450 ×
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1
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 个矩形空间由一侧的宽 20m 玻璃长廊连接 交通 ,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设计 中的关键内容 。除了常规静力设计外 ,其施工稳定性 以及预应力张拉控制问题在设计中也相对突出[3 ,4] , 下面重点介绍 。 2 主要结构形式介绍
Design of String Structure in Harbin International Conference Exhibition and Sports CenterΠFan Feng , Zhi Xudong , Shen Shizhao (School of Civil Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090 , China) Abstract :Harbin international conference exhibition and sports center is a comprehensive public service. It is a larger one among the domestic exhibition architectures which are under construction and constructed. The composition , the structural form and the design process of the large2span steel structure of the main exhibition center are introduced. The selection of design parameters of the large2span truss cable structural system of the main exhibition center is presented. By utilizing the software ANSYS and the self2developed assistant interface programs , load2bearing analysis of the main steel structure is carried out. On base of the optimizing design , the whole2course numerical simulations in construction are carried out , which effectively guides the synchronized monitoring of pretension and adjusting control in construction. The stability of truss cable structure in construction is analyzed and several design characteristics of this kind of structural system are concluded. Keywords :steel structure ; truss cable structure ; numerical simulation ; construction ; design
点 ,为 51912mm ,挠跨比 fΠL 为 1Π246 。可以看出 ,结构 水平及竖向刚度均偏柔 ,结构截面选择是由刚度控制 的 ,水平侧移及竖向挠度均稍超出规范限值[6] 。分析 结果还表明 :在无风荷载作用时结构受力不利 ,风荷载 向上较大的吸力抵抗了部分竖向恒荷载和活荷载 ,对 结构是有利的 ;温度作用对结构竖向挠度影响不大 ,对 水平侧移有影响 ,正温差不利 ,负温差有利 ,由于前端 摇摆柱的作用 ,温度作用对构件内力的影响很小 。