世博軸索膜頂棚和陽光谷鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

1、世博軸索膜頂棚和陽光谷鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介摘要：世博軸及地下綜合體工程是2010年上海世博會園區(qū)標(biāo)志性建筑，其屋 頂體系由索膜頂棚結(jié)構(gòu)和陽光谷鋼結(jié)構(gòu)組成。分別介紹了索膜頂棚結(jié)構(gòu)和陽光谷鋼結(jié)構(gòu)各自結(jié)構(gòu)特點。對索膜結(jié)構(gòu)，闡述了設(shè)計中膜材的安全系數(shù)取值，風(fēng)荷載取值，膜面應(yīng)力位移分析，防連續(xù)倒塌分析及地震作用的考慮等內(nèi)容。文章還介紹了陽光谷鋼結(jié)構(gòu)的整體受力，變形特點，節(jié)點設(shè)計特點，詳細分析了單桿穩(wěn)定強度失效后對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。得出了作為大跨度柔性張拉結(jié)構(gòu)的索膜頂棚和大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的陽光谷均滿足設(shè)計要求的結(jié)論。關(guān)鍵詞：世博軸;索膜結(jié)構(gòu)，陽光谷鋼結(jié)構(gòu);非線性分析;倒塌分析;整體穩(wěn)定2010年上海世博工

2、程坐落于浦東世博公園的中心，從南面的耀華路開始直到北面的濱江慶祝公園。表演中心和中國館位于世博軸的東面，然而世博中心和主題館位于其西側(cè)，形成世博園四個館和一個軸的核心。上海世博園從南至北長大1045米，地面下寬度為9915米至11015米，地面上從東到西有80米寬。作為浦東世博公園，世博會的主入口軸包含地下二層，一個接地層和一個高架步行層，四個層次的建筑海拔高度分別為61500米，11000米，41500米，及101500米。海拔高度為615米及1015米兩個層次是作為到來及安檢過程中的主要地段。世博軸屋頂是由兩種不同類型的結(jié)構(gòu)，拉伸膜結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)命名為具有獨特的建筑外觀-太陽山谷。圖1所示的

3、結(jié)構(gòu)模型，無花果。2和3顯示的規(guī)劃圖紙和剖面圖。膜結(jié)構(gòu)覆蓋的大部分的1015米水平，人們免受日曬雨淋。太陽山谷去，通過從屋頂上的第二次地下一層，導(dǎo)致地下空間的陽光和新鮮空氣，他們還收集雨水，以供循環(huán)再造的雨水回收。2、索膜結(jié)構(gòu)世博軸屋頂?shù)脑磉M行設(shè)計是由sba建筑師（德國人）和咨詢工程師knippershelbig（德國人）完成。咨詢工程師knippershelbig和ecadiknippershelbig負責(zé)結(jié)構(gòu)，擴大初步設(shè)計，以及ecadi提供的施工圖設(shè)計2。1結(jié)構(gòu)說明 拉伸膜屋頂連續(xù)膜單元組成。總長度是約840米和最大的跨度約97米的。最大的折疊的膜單位面積約1800平方米。索膜屋頂主要

4、由脊賬面大多數(shù)負載，邊緣線，拉伸膜的主要工作，穩(wěn)定的系統(tǒng)電纜組成。圖4電纜鋪設(shè)。最長的邊緣線和最長的山脊電纜的長度是長約80米115米。這是大跨度柔性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的幾何非線性。全膜外桅桿（高點），內(nèi)桅桿（下點）和陽光谷鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)闹С帧?2設(shè)計特點22 11膜材料的安全系數(shù)使用單一安全系數(shù)法（容許應(yīng)力法）在結(jié)構(gòu)設(shè)計1，2?；詈奢d負荷的安全系數(shù)為315和恒荷載是710（95保證材料的強度特征值）。221 2風(fēng)荷載 在風(fēng)荷載分析，反應(yīng)擴增系數(shù)法通常適用于。風(fēng)時間歷史上首次獲得通過風(fēng)洞實驗，峰值響應(yīng)和結(jié)構(gòu)分析，然后由獲得的每個元素的平均響應(yīng)。之間的峰值和平均響應(yīng)率是指響應(yīng)（內(nèi)力或位移）放大倍數(shù)。通常是

5、不相同的響應(yīng)因子相同的元素。據(jù)中國荷載規(guī)范3，包括內(nèi)力和位移的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可以得到bz= 1的放大鏡放大倍數(shù)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。高峰值也可以直接采取的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為世博軸的索膜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分析，進行了八個風(fēng)向bz= 1。5，隨時間變化的分析也進行。依賴時間的風(fēng)荷載施加預(yù)應(yīng)力載荷和靜載荷的基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)。改變本身，70的時間取決于風(fēng)荷載施加預(yù)應(yīng)力荷載，活荷載（雪荷載）和靜負荷的基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)221 3膜應(yīng)力分析 索膜結(jié)構(gòu)的分析是里德雇用幾個計算機程序，包括汽車容易基于力密度法和ansys和基于有限元法的圖像。它主要發(fā)生大的壓力和懸掛點.雙層或三層膜向下點附近應(yīng)適用于這些地區(qū)（圖5和6）。221 4膜位移分析 拉索和

6、膜只能承受拉力。結(jié)構(gòu)對外部負載電阻主要是通過變形實現(xiàn)，這樣的結(jié)構(gòu)變形的外部負載下了很多，并應(yīng)考慮幾何非線性的影響。在這個項目中的膜位移是有限指日本守則：膜減去相應(yīng)的電纜位移的位移必須小于1/10的支持之間的距離。這個標(biāo)準(zhǔn)成立，以避免風(fēng)振過大的變形，從人的不安全意識造成的破壞。大位移都發(fā)生在邊緣線支持領(lǐng)域。據(jù)cecs158：2004年和日本的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)僅限于膜的位移式。（1）與符號如圖7所示。圖8顯示了膜的靜載負荷情況下的位移，預(yù)應(yīng)力負載和90b荷載。膜向上的位移是4116m，減去相應(yīng)2169米電纜位移，相對位移是1/18左右。膜向下位移的是3178米，減去相應(yīng)1174米電纜位移，相對位移是1/1

7、8左右。小型風(fēng)力下膜位移進行了研究。基于在35年的統(tǒng)計，在上海（1956年1990年），發(fā)現(xiàn)了57級風(fēng)，每年出現(xiàn)1415次，8級風(fēng)的出現(xiàn)比一般水平高于11倍，每年，9級風(fēng)極少發(fā)生，每十年大約只有1次。表1顯示風(fēng)級，風(fēng)速和風(fēng)壓之間的關(guān)系。被認為是在這個項目中的6級和8級大風(fēng)。下6級風(fēng)荷載，最大的膜向上位移1122米，最大的向下位移195米的。在8級風(fēng)荷載，最大的膜向上位移2126米，最大的向下位移1198米的?？紤]到結(jié)構(gòu)的巨大的規(guī)模，小風(fēng)荷載下的位移并不大。2。215個當(dāng)?shù)氐墓收戏治?據(jù)來自當(dāng)?shù)氐墓收戏治鼋Y(jié)果（圖9和10），桅桿將無法正常工作，如果它的后支撐拉索破壞，一個或兩個件導(dǎo)致膜收縮的，但

8、整個結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌不會發(fā)生。膜附近的某些部分將放寬，而在一些附近的其他部分將增加，但仍小于極限強度。負載拉索破壞后后，其余仍工作拉索的內(nèi)力將增加，增加部分很多。所以應(yīng)該有足夠的安全儲備，以確保這些鐵索內(nèi)力不會超過極限強度。其他鐵索內(nèi)力將下降到一定程度，甚至導(dǎo)致鐵索松弛。2。216地震影響 由于膜結(jié)構(gòu)自重輕，結(jié)構(gòu)的地震影響是相當(dāng)小的，沒有考慮到，但是支撐結(jié)構(gòu)仍具有一些結(jié)構(gòu)措施以抵抗地震后。在這個項目中，外桅桿和內(nèi)部桅桿的柱腳有一些措施以抵抗地震。 由于對地震的施工措施，這是作為一個球鏈接的外桅桿腳下可旋轉(zhuǎn)7度和承受2000kn向上負載（圖11）。很粗的柱腳被設(shè)計成一個鉸鏈的聯(lián)合，能承受向上的拉力

9、。3鋼結(jié)構(gòu)太陽谷3.1結(jié)構(gòu)描述 陽光谷采用鋼單層晶格結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格（圖13），這是目前在歐洲流行的組成的系統(tǒng)。太陽谷sv12、sv6的頂部和底部的主要軸線的長度約為90m，18m，60m，18m，60m，18m，70m，16m，60m，18m及90m，2。sv4底部的形狀是圓形的，而其余是橢圓形的。上部的六個太陽山谷，看上去像一個橢圓形的角。六個太陽山谷的高度是42100米的（從-7100米35100米）。網(wǎng)格系統(tǒng)具有復(fù)雜的形狀和范圍從21米為40m大懸臂。網(wǎng)格系統(tǒng)采用矩形空心截面管狀鋼管焊接，。固體部分的矩形鋼管通過在頂環(huán)的結(jié)構(gòu)，以加強箍效應(yīng)。結(jié)構(gòu)中的每個鋼管的長度范圍從1150米3150米，

10、每節(jié)高度從180毫米至500mm，寬度從65毫米至120mm。每根鋼管和空心接頭材質(zhì)為q345b的鋼材，而堅實的接頭（桅桿腳接頭，拉索，膜，頂部桿件）是g20mn5鑄鋼。3.2設(shè)計特點 3. 211內(nèi)力分析 陽谷是一個從底部來回伸展的單層鋼網(wǎng)殼組成的三角網(wǎng)格，。結(jié)構(gòu)桿件主要是受到軸向力，對強軸（飛機外殼表面）彎矩主要由拉索和膜的拉伸力量產(chǎn)生的。弱軸的扭矩是相當(dāng)小。靜載下的最大軸向力是在太陽山谷底部（圖14），具有較強的約束。太陽谷底部附近的徑向桿件主要是受到拉力或壓力，而附近的太陽谷的頂部環(huán)形桿件主要是受到拉力。分析估計風(fēng)荷載引起的內(nèi)力是遠遠比地震造成的，而后者則只有前者2035左右。3.21

11、2位移分析 太陽谷結(jié)構(gòu)允許垂直位移是按照中國的設(shè)計規(guī)范，有掛在起重機鋼結(jié)構(gòu)屋架標(biāo)準(zhǔn)4?；谟谰煤涂勺兒奢d特征值，其允許位移取為跨度為1/250。因此，太陽谷懸臂部分的位移一直小于跨度的1/125，這是懸臂端和結(jié)構(gòu)的中心點之間的距離。根據(jù)中國的抗震設(shè)計規(guī)范5，最大水平位移小于結(jié)構(gòu)高度1/300。3.1 213整體穩(wěn)定性分析 太陽谷是一個表面復(fù)雜和一個大型懸臂跨度的單層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，所以整體的穩(wěn)定是非常重要的。穩(wěn)定性分析已經(jīng)進行了考慮幾何和材料非線性的影響。其初始初始缺陷的幅度增加，太陽谷穩(wěn)定承載力下降，但在一般情況下，陽光谷鋼結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷的非線性穩(wěn)定不敏感。太陽谷幾何非線性分析和幾何非線性分析材

12、料的的屈曲臨界載荷系數(shù)sv1的sv6，分別是大于41 2和21 0。滿足對所有在中國空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)規(guī)范的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的要求。3.21 4引起結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定屈曲的單個桿件的影響， 分析表明，整體結(jié)構(gòu)屈曲前單個桿件將屈曲。例如，對于sv6，第一根桿件屈曲時的荷載僅有整體結(jié)構(gòu)屈曲荷載40的左右。兩個模型都對兩個載荷步進行屈曲分析，確定當(dāng)單個模型單屈曲時的荷載值。第一個載荷階段是對前一模型屈曲穩(wěn)定性分析，而第二個載荷階段步考慮由于模型屈曲穩(wěn)定性分析剛度減弱。在第二階段，修改原模型的的屈曲桿件（剛度乘小值），考慮局部屈曲桿件的作用，可以檢查這樣的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的過程。以sv6作為一個例子，當(dāng)18根桿件屈

13、曲時，整體穩(wěn)定承載力大約為原始模型7315;然而屈曲桿件高達43，屈曲臨界載荷系數(shù)為11 92，穩(wěn)定的承載能力是原始模型551 1。因此，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的承載性能，當(dāng)單個桿件屈曲不會導(dǎo)致整體承載能力的迅速減少。3.215連接設(shè)計 陽光谷鋼結(jié)構(gòu)采用一種特殊的連接形式，相鄰焊接矩形狀管表面較薄和良好的透氣性。在連接區(qū)，所有欄桿和焊接矩形管中的桿件只有兩個網(wǎng)是連續(xù)的，而其他桿件網(wǎng)是不連續(xù)的。如果承受壓力的欄桿超過材料的設(shè)計強度，將改變整個連接牢固性。 在整個結(jié)構(gòu)的分析中，接點連續(xù)剛性桿件構(gòu)成。考慮到這一因素，強化板設(shè)置在連接中心以用來連接兩個有最大的內(nèi)力的網(wǎng)絡(luò)板塊，以增強接點的剛性和保證節(jié)點具有足夠的強度，。從節(jié)點的有限元分析的結(jié)果表明，連接區(qū)的大多數(shù)桿件都在彈性范圍內(nèi)，只有非常小一部分屈曲（圖16）。3.121 6其他分析 太陽谷是一個規(guī)模龐大，表面復(fù)雜