大跨結構應用實例

1、大跨結構應用實例1、廣州國際會議展覽中心 廣州國際會議展覽中心位于廣州市海珠 區(qū)琶洲島，是廣州市重點建設項目，首期工 程用地面積 48.9 萬 m 2，總建筑面積 39.6 萬 m2 ，共有 16 個面積 1 萬 m 2 左右的展 廳，10700 個標準展位， 是目前世界上單體 建筑面積最大的展覽建筑（圖4 12圖4 15） 。廣州國際會議展覽中心主要部分為 3 層建筑，包夾層共有 7 層。架空層主要用 作車庫、展廳和設備用房，首層和四層為展 廳，二層為連接各個入口和各個展廳的人行 通道，三、五、六層為辦公及設備用房。首 層的中部和四層的南部各有一條貫通東西 的卡車通道， 東西兩側各有一條從首

2、層通向 四層的卡車坡道， 運送展品的集裝箱車可直 達各個展廳。其技術特點如下：(1) 成功解決了超長混凝土結構不設溫度 縫的難題廣州國際會議展覽中心樓蓋分為 10 個獨 立的單元，按建筑要求每個單元不可設縫， 其長度和寬度都超過了規(guī)范關于溫度區(qū)間 長度的限值，最大單元的面積達90m x163.5m 。為解決這個問題采用平面應力計 算方法和有限元三維計算方法對樓蓋的應 力進行了仔細的分析， 通過設置后澆帶來減 少前期溫度應力的影響， 通過設置預應力梁 和在溫度應力較大的區(qū)域增加配筋的方法 來控制和抵抗溫度應力。 這一做法獲得成功， 2002 年 12 月建成投入使用至今，主體結 構未發(fā)現(xiàn)肉眼可見

3、的裂縫。(2) 巧用預應力技術，降低大柱網(wǎng)重荷載 的混凝土樓蓋的造價廣州國際會議展覽中心四層展廳樓面荷載重達15kN/m2 ，柱網(wǎng)為 30m x30m , 整個展廳的平面尺寸達 86m X126.6m。該 層綜合采用了有粘結預應力梁（ 大跨度框架主梁 ）、無粘結預應力梁 （一級次梁 ）及在梁中 加直線預應力筋 （ 二級次梁及其他需要部位 ） 等多種預應力方式。 通過精心設計預應力和 非預應力鋼筋的比例及預應力張拉控制值， 使有效預應力的分布盡量接近理想預應力 分布， 因而各種材料的性能得到充分的利用， 達到了既安全又經(jīng)濟的目的， 比外方提出的 設計方案節(jié)省混凝土 32912m 3 ，節(jié)省預應

4、力鋼筋 2100t ，降低造價約 3900 萬元 （還 未包括節(jié)省的普通鋼筋的造價 ）。（3）成功設計了國內最大跨度的新型鋼結 構張弦桁架結構廣州國際會議展覽中心四層的 5 個無柱大 展廳的屋蓋采用預應力張弦桁架結構。 這是 一種性能優(yōu)越的新型大跨度鋼結構， 其截面 的高度很大， 因而比同樣用鋼量的其他鋼結 構具有更高的承載力，其上部受壓，設計為 三角形鋼管桁架，有很好的穩(wěn)定性，其下部 受拉采用高強鋼索， 可以充分發(fā)揮鋼材受拉 性能好的優(yōu)勢。圍繞張弦桁架的設計對其強度、剛度、整 體穩(wěn)定性和拉索出平面的穩(wěn)定進行仔細的 分析，對預應力的取值及預應力的施加方法 作了認真的考慮，對鋼管桁架的相貫節(jié)點，

5、 索與撐桿的連接節(jié)點， 桁架端部與預應力索 連接的鑄鋼節(jié)點以及彎曲鋼管的性能都作 了專題研究。 精心的設計和研究使這一大跨 度結構獲得成功， 并為這種新型結構的推廣 打好了基礎，積累了經(jīng)驗。張弦桁架每榀重 135t ，用鋼量為 71kg/m 2 。(4) 在國內首次將結構預警技術應用于建筑工程結構預警系統(tǒng)是利用傳感器和計算機，在 重要結構的某些部位安裝傳感器， 測量結構 的某些物理量加速度、速度、位移、應 力、應變等，將所測得的這些物理量傳至計 算機， 計算機根據(jù)這些物理量推斷出結構的 工作狀態(tài)。同時，計算機還可根據(jù)測量的歷 史記錄， 推斷出結構安全儲備和結構的剩余 使用壽命。 當結構的安全儲

6、備不足或結構的 某些量發(fā)生不正常的變化時， 系統(tǒng)發(fā)出警告， 提醒人們對結構進行必要的維修加固或采 取其他應急措施以避免結構發(fā)生災難性破 壞。廣州國際會議展覽中心張弦桁架結構跨 度達 126.6m ，為了保證其安全，嘗試在上 面安裝結構預警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由硬件和軟件 兩大部分組成。硬件由三個加速度傳感器A1 、A2 、 A3 及一個激光測距儀 S 組成， 布置在桁架跨中和跨度的 1/4 和 3/4 處。該系統(tǒng)的所有軟件均自主開發(fā)，具有如下 功能： 實時測取結構的前三個固有頻率； 實時測取結構的位移和內力以及結構的 安全狀態(tài)； 定時將測量數(shù)據(jù)及主要分析結果存盤， 形 成結構工作的歷史記錄； 迅速查

7、看結構的工作歷史記錄。建筑結構預警系統(tǒng)在國內是首創(chuàng)，在國外 也未見報導。 該系統(tǒng)的研發(fā)開創(chuàng)了建筑結構 監(jiān)控方面的一個新領域， 對保障大跨度建筑、 高層建筑等重大建筑的安全有極為重大的(5) 推出一種新型的屋面結構體系 廣州國際會議展覽中心二層展廳和珠 江散步道的屋面面積近 10 萬 m2 ，不僅要 求有很好的隔熱、防水性能，而且要求有很 好的裝飾效果。該屋面面積大，為雙向彎曲 的曲面而排水坡很小，排水路線很長，最長 的達 79m ，因此防水設計的難度很大。新設計的屋面結構體系由基層、面層和裝 飾層構成?；鶎邮菈盒弯摪?+ 聚氨酯發(fā)泡板 十三元乙丙聚氨酯防水卷材組成的新型復 合板，它本身便有承重

8、、隔熱和防水三重功 能。和傳統(tǒng)的夾芯板相比，它拼裝后的防水 性能更好。在它的上面再做一層 3600 咬合 的壓型鋼板面層， 保證了整個屋面滴水不漏。 在基層上面設計了一種滑動支座， 可以讓它 上面長達 138m 無橫向接縫的面層在溫度 變化時伸縮自如。 實踐證明這種基層和面層 構成的屋面體系施工方便，隔熱效果好，防 水可靠，可以推廣應用到其他工程中。裝飾層是建筑造型特別需要的， 通過一 個特別的鋁夾具固定在面層， 這個特別的夾 具不需穿破面層， 而能承受裝飾板傳來的施 工活荷載和風荷載。(6) 開發(fā)一種新的抓點式玻璃幕墻 廣州國際會議展覽中心有近 7 萬 m 2 的 玻璃幕墻， 統(tǒng)一采用豎向預

9、應力鋼索承受玻 璃自重， 水平交叉預應力索承受風荷載的新 型索結構體系；采用新型的有良好隔熱效果 的鍍有低輻射膜的中空玻璃。玻璃的抓點摒棄了常見的四爪抓點， 創(chuàng) 造了一種嶄新的矩形抓點， 這種抓點一樣可 以固定相鄰的四塊玻璃的角點， 可以適應玻 璃的變形，也便于安裝和更換玻璃，而外形 卻十分簡捷新穎。通過有限元分析，并通過 荷載試驗，證明這種結點安全可靠。(7) 綜合應用各種形式的鋼結構，滿足 現(xiàn)代建筑的造型要求 采用兩榀雙箱形截面的連續(xù)鋼拱結構 + 三 角形斷面的連續(xù)立體鋼管桁架結構， 構成會 展中心標致性的構筑物中央車站罩篷； 采用腹板上開橢圓孔的 H 型鋼曲梁結構， 構成極具韻律感的卡車

10、通道罩篷； 采用立體鋼管桁架 + 鋼管擺柱，構成高大 寬敞而輕巧美觀的珠江散步道屋蓋和幕墻 承重體系； 采用不帶剪刀撐的鋼管柱列+鏤空的水 平鋼梁及支撐，勾畫出會展中心“飄”的外 柱廊； 圍繞設計開展專項研究， 取得一批成果。廣州國際會議展覽中心面積大、 跨度大、 荷載大， 特別是屋蓋結構的張弦桁架跨度為 國內之最。結構設計難度也較大，為了保證 結構安全及設計合理、可靠，設計單位與華南理工大學、廣州大學、同濟大學等單位合作，對一些新技術問題及設計難點問題進行 了專門的研究，其中包括： 張弦桁架性能的研究； 空間結構大型鑄鋼節(jié)點的研究； 彎曲鋼管性能的研究； 大直徑鋼管雙 K 形相貫節(jié)點的研究；

11、 帶搖擺柱的鋼管桁架屋蓋結構抗震性能 研究； 結構預警系統(tǒng)的研究。 這些研究包括結構計算分析及模型或實體試驗，在各方共同努力下，取得了一批 有實際意義的研究成果， 并應用于本工程的 設計中， 不但保證和提高了本工程的設計質 量和設計水平，而且對提高我國建筑結構設 計水平做出了較大的貢獻。2 、廣州新白云機場 GAMECO10 號機庫(1) 工程概況： 本工程由維修機庫、噴漆機庫、航材庫 和與之配套的附樓組合而成， 其中機庫大廳 長 350m ，進深 100m ，分為跨度 100m 150m 的飛機維修區(qū)和跨度 100m 的噴漆 區(qū)，屋蓋下弦標高 29m 、局部 18m 。機庫 屋面最大標高為

12、44m ，三連續(xù)圓弧拱形屋 面和前檐弧形外挑勾勒出優(yōu)美的建筑輪廓 (如下圖所示 ) 。該工程機庫部分為大跨度建 筑，結構特點是高大空曠，屋蓋呈三邊支撐 受力狀態(tài)，柱頂標高 29m ，最大無柱空間 的平面尺寸250m x80m。沿大門一側 350m 完全開敞， 除角柱外僅布置兩根邊柱， 屋蓋自由邊長度為 100m+150m+100m。該機庫的另一結構特點是有多種移動維修 設備懸掛在屋蓋下弦， 同時 350m 長機庫大 門完全懸掛于屋蓋自由邊， 其懸掛荷載之大 為國內機庫之首。 因此本機庫屋蓋結構受力 狀態(tài)復雜，對變形控制要求高，結構方案選 擇須充分考慮結構的受力特性， 在滿足結構 強度、剛度和穩(wěn)

13、定性的同時，還需滿足懸掛 設 備工作運行和 350m 長的懸掛大門穩(wěn)定的 要求。場區(qū)的抗震設防烈度為 6 度， 機庫大 廳的安全等級為一級。 抗震設防類別為乙類 建筑，結構抗震設計構造措施按 7 度。機庫的南、北、西三面均設有附樓，作 為機庫的配套設施及輔助用房； 機庫大廳內 部由于生產(chǎn)工藝的需要在大廳尾部設鋼筋 混凝土平臺。附樓及平臺為框架結構，層數(shù) 為二至五層不等 （局部六層 ） ，主要柱網(wǎng)為 8m X8m 及8m X12.5m。根據(jù)生產(chǎn)性質、 建筑立面需要及結構合理伸縮縫間距， 以伸 縮縫分成 10 個結構單元。(2) 設計、技術特點屋蓋結構 該機庫屋蓋采用多級桁架結構體系， 桁 架沿縱

14、、橫向分級設置，由多層主、次桁架 形成空間受力體系。 各級桁架按受力狀態(tài)選 擇其高度和腹桿布置形式， 并在不等高的各 級桁架上、 下弦平面中分別設置水平支撐構 件。多級桁架結構體系受力關系明確、滿足 變形要求，構造簡潔、加工安裝方便，且空 間桿件少， 便于噴漆區(qū)屋蓋結構中大截面通 風管道的穿行布置。 另外在主桁架體系之上 還設計了屋面支撐系統(tǒng)， 以滿足建筑立面設 計要求 . 桁架結構體系中水平支撐系統(tǒng) 的設計十分重要。 大跨度機庫建筑總高一般 都超過 40m ，水平風荷載及地震作用對結 構都會產(chǎn)生很大的影響。 由于機庫特殊功能 要求，大門一側全開敞，整個建筑的抗側力 構件布置極不均勻， 因此要

15、求屋蓋結構有良 好的整體剛度，能夠合理、有效地傳遞和分 配水平力。該機庫前部大門一側沿 350m 長 共布置了 4 根受力柱，后部結合機頭、 機尾 庫位置的限制， 布置了兩列共 32 根受力柱， 柱距從845m不等。在屋蓋結構體系中， 由于主、 次各級桁架跨度及承受的豎向荷載 差異很大， 因此各級桁架設計高度相差也很 大，形成了多層上、下弦平面，設計中在各 桁架上、下弦平面和高、低弦層相鄰的斜平 面內，分別設置了水平支撐構件，并將拱形 屋面系統(tǒng)最低區(qū)域的水平支撐與桁架相連 接，加強了屋蓋結構的側向剛度和整體穩(wěn)定， 以保證水平力的有效傳遞。同時，為配合建筑師的設計創(chuàng)作，在主 桁架體系之上另設計了

16、一套建筑屋面支撐 系統(tǒng)，包括鋼柱、梁、檁條及鋼柱的垂直支 撐和沿弧形屋面布置的水平支撐， 構建成穩(wěn) 定的 3 跨連續(xù)圓弧拱形屋面； 在大門上方還 設計了檐口桁架，使檐口呈弧形外挑，勾勒 出優(yōu)美的建筑輪廓， 充分滿足了建筑立面設 計的要求。大門是機庫結構設計的特色之一， 除應 滿足飛機進出空間要求之外， 大門還是整個 建筑外圍護結構的一部分。 該機庫大門開啟 長度 350m ，最大開啟高度 25.5m 。設計 選用了在國內民用大跨度機庫中未使用過 的懸掛上疊式膜材料大門。共 17 扇門，每 扇門最大寬度 20.784m 。懸掛式大門的優(yōu) 點是輕巧、美觀，無需門庫大門可同時完全 開啟，相鄰門扇可對

17、接，減少門占地，可充 分利用建筑面積。此外，懸掛式大門使各區(qū) 段門高可依據(jù)大型飛機進出安全高度而設 定，在滿足使用要求的前提下可控制門高， 節(jié)約能源， 又避免了傳統(tǒng)推拉門上部設置小 門的做法，簡化施工，方便使用。但因其自 重懸掛在屋蓋前沿， 給鋼屋蓋設計增加了難 度，提高了對門口桁架承載力和變形的要求。 基礎設計方案在基礎方案的確定過程中， 根據(jù)機庫大 廳柱及附樓柱的受力特點和地質條件， 對每 個鉆孔的土、 巖層情況進行了認真的分析比 較。該機庫地處珠江三角洲北部，為亞熱帶 覆蓋型巖溶地區(qū)，水文地質條件極為復雜。 根據(jù)勘察報告，南側多為全風化巖和強風化 巖，其下的中風化巖層不連續(xù)，微風化巖巖

18、面起伏很大；北側多為回填土、粉質黏土、 粗砂層， 其下即為中風化灰?guī)r和微風化灰?guī)r， 巖性以砂巖、 泥質粉砂巖、 炭質頁巖、 頁巖、 泥質灰?guī)r、炭質灰?guī)r為主。同時，建設場地 分布有大量的溶洞。整個機庫南北長達 400m ，從機庫到附樓， 僅柱底軸力設計值由 59843.3kN 到400 500kN 變化，樁端 （基礎 ）持力層深度從 40 多米到基巖露頭， 只有經(jīng)多方案比較并結合 不同的受力狀況、 土層分布采取不同的基礎 方案，才能取得合理、經(jīng)濟的效果。典型的基礎方案如下： 機庫大廳柱下的全強、 風化巖層厚度分 布不均且不連續(xù)，中、微風化巖層的巖面起 伏大，為保證機庫主體結構的安全性，因此 確定

19、機庫大廳柱下均采用鉆 （沖 ）孔灌注樁。 6 個主受力柱由于垂直和水平荷載大，為嵌 巖端承樁，持力層為微風化巖，樁徑為 1000和 1200兩種，樁進入持力層的深度 為 1.5d（d 為樁徑 ）。其余機庫柱為摩擦端承 樁或端承摩擦樁基礎， 持力層為中風化或微 風化巖，樁徑為 800 ，樁進入持力層的深度為 500mm北附樓及西北附樓由于其下多為粗砂 層和粉質黏土層， 無可靠的天然地基持力層， 因此采取鉆 （沖 ）孔灌注樁，為摩擦端承樁或 端承摩擦樁基礎， 持力層為中風化或微風化 巖，樁徑為 800，樁進入持力層的深度為 500mm 。南附樓、西南側、西側中部附樓下多為 全風化巖和強風化巖層，

20、基礎是否可以選用 全風化和強風化巖層做持力層 ?對此做了一 些深入細致的工作，進行了方案比較。但由于該場地的全風化巖、 強風化巖有 其地區(qū)特點，遇水易軟化和崩解，當基坑晾 曬時間過長時承載力會降低，其壓縮模量 E 值較低，分別為 7MPa 和 8MPa 。根據(jù)此 值進行獨立柱基的沉降計算， 如南側附樓中 柱采用天然地基，持力層為強風化巖，計算 出的沉降值約為 108mm ，而機庫柱下為樁 基礎，幾乎沒有沉降，兩柱相距 8m ，沉降 差不滿足框架結構 0.2 的要求。據(jù)此最終 也采用鉆 （ 沖） 孔灌注樁基礎。持力層為中風 化或微風化巖，樁徑為 800，樁進入持力 層的深度為 500mm 。另外

21、，對中、微風化巖露頭和埋深較淺 的區(qū)域按獨立基礎設計，3640軸間的西 北附樓有一層地下室，其下為中風化巖層， 采用筏板基礎。由于機庫柱底有較大的水平力， 因此在 樁基礎的設計中不僅要考慮豎向承載力， 還 要考慮水平承載力能否滿足上部結構的要 求。還由于建設場地的地質情況比較復雜， 基巖面坡度較大。 為了保證水平力的正常傳 遞和樁抗水平力的安全性， 加強基礎的整體 剛性，增強結構整體的安全，在所有樁基礎 間設置了基礎梁， 有柱問支撐的樁基礎間設 置了鋼筋混凝土壓桿。另外，據(jù)了解廣州地區(qū)無單樁水平靜載 試驗方面的經(jīng)驗資料及試驗數(shù)據(jù)，因此將 000和 1200的樁身配筋率控制在 0.65% 以上，

22、 使樁的水平承載力設計值滿足柱底對 樁基礎的水平承載力要求。3 、哈爾濱國際會展體育中心 本工程為哈爾濱國際會展體育中心 （ 如下 圖所示 ），位于哈爾濱市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內， 地理位置優(yōu)越。建設用地西臨紅旗大街，東 臨南直路，南為長江路，北為黃河路，泰山 路從場地內穿過。 由于基地四周均為城市干 道，基礎設施良好，交通便利、通達。張弦桁架結構簡圖本工程屬超大型公共建筑，總用地 43.72hm 2。建設總規(guī)模為：建筑面積 321943m 2，五萬人體育場。本工程集會議、 展覽、體育訓練與比賽功能為一體，建筑群 由三部分組成：1號工程為主館，2500個 國際標準展位的國際展覽中心、綜合訓練館、體育

23、館。2號工程為國際會議中心、賓館， 含1800座會議廳兼劇場及多種規(guī)模的會議 廳；38層總高度169.7m 的四星級賓館。3 號工程為五萬人體育場。哈爾濱國際會議展覽體育中心主館縱向 總長度為 618m ，橫向長度為 128m（ 主跨 大廳 ）+20m（ 附屬玻璃長廊 ）。建筑縱向兩端 為附屬功能用房，下部為混凝土結構，屋面 結構為兩片曲面網(wǎng)架。 建筑中部由相同的 35 榀 128m 跨的張弦桁架覆蓋，桁架間距為 15m ，共分成 5 個矩形空間， 它們彼此互相 獨立，左邊 3 個矩形空間為單層展覽大廳， 第4與第 5個矩形空間分別為訓練館和萬人 體育館。訓練館和體育館內部為 2 層結構， 內

24、部的樓層為獨立的混凝土結構， 在傳力上 與屋蓋主體結構不發(fā)生關系。 這 5 個矩形空 間由前端的 20m 寬玻璃長廊連接交通，該 玻璃長廊為輕型鋼結構體系， 整個主館建筑 四周均由玻璃幕墻圍合。顯而易見， 128m 跨的預應力張弦桁架是整個主館結構設計 中的關鍵內容。哈爾濱國際會議展覽體育中心 3 號工程 是一座 5 萬人的國際標準綜合體育場， 體育 場沿長軸兩邊看臺上方各有一片罩篷結構， 這兩片罩篷結構形式完全相同。 該罩篷結構 為三維曲面造型，縱向長度為 247.5m ，橫 向最 大 長度 64.2m ， 每 片罩 篷 面積約 15000m 2 。 1 號 工 程 主 館 用 鋼 量 為

25、67kg/m 2 ， 3 號 工 程 體 育 場 用 鋼 量 為 114kg/m 2 。其設計特點如下：主館中央部分的 5 個獨立空間單元結 構形式是相同的， 只是根據(jù)建筑功能的要求 每個空間單元館的桁架榀數(shù)不同， 下圖給出 了作為展覽大廳的 3 個單元的具體結構布置。 每個單元由數(shù)榀完全相同的張弦桁架通過 支撐系統(tǒng)連接成整體， 由于張弦桁架為平面 受力構件，跨度大并且剛度較弱，平面外需 要有強大的支撐。 桁架間的支撐由 5 道均勻 布置的縱向剛性支撐和沿單元周邊布置的 平面交叉支撐組成， 其中縱向剛性支撐也為 空間桁架形式。預應力張弦桁架由前端的人字形搖擺 柱和后端的剛性柱支承， 桁架與剛性

26、柱之間 連接為固定鉸支座， 搖擺柱使桁架與下部結 構間形成了理想的可動鉸支座， 使超大跨度 的張弦桁架的整體受力形成理想的簡支形 式，這樣可以很好地釋放桁架中的溫度應力， 同時可以不對下部結構產(chǎn)生較大推力， 大大 簡化下部結構和基礎結構的設計。 前端的人 字柱既可以傳遞豎向力， 又可以為建筑物提 供足夠強大的縱向剛度， 從建筑造型和結構 受力上看都是比較理想的。大廳前立面玻璃幕墻的支撐桁架 ( 抗風 柱）上端與張弦桁架連接在一起，并采用了 一種專門設計的連接構造， 使兩者間僅傳遞 水平向力，豎直向不傳力，這樣近 30m 高 的幕墻支撐桁架得到可靠的水平支承， 又可 以不負擔屋面的豎向荷載， 使

27、二者的受力都 比較明確。張弦桁架上弦桿截面為480 X24，桁架中部下弦桿件截面為 480 X12，接近支 座處下弦桿件為 480 X24 ,材質為Q345B , 桁架弦桿與腹桿間為相貫焊接連接。 張弦桁 架 拉 索 選 用 439 7 ， 截 面 面 積 為 ： 16895mm 2，張弦桁架中拉索為高強度低 松弛鍍鋅鋼絲束， 其抗拉強度為 1570MPa ， 拉索錨具采用 40Cr 鋼。為了受力更合理， 將張弦桁架的拉索錨固端節(jié)點設置在桁架 的形心處， 使得拉索中的拉力由相交于一點 的5 根桁架腹桿直接傳遞到桁架弦桿上， 同 時也簡化了拉索錨固端節(jié)點的構造。 為了方 便施工，張弦桁架與搖擺柱，張弦桁架與縱 向支撐問的連接大量采用了銷栓式連接。 張 弦桁架中的一些受力復雜的關鍵節(jié)點