上海世博會主題館結構選型與設計

上海世博會主題館結構選型與設計主題一、上海世博會主題館工程概況二、主題館屋面結構方案選型三、主題館結構計算模型與分析四、主題館結構設計工程概況

世博會主題館是展示上海世博會“城市，讓生活更美好”的主題和凸現(xiàn)大型事件的展覽場所。世博會期間將結合世博軸北端的慶典廣場舉辦世博會開、閉幕式等大型活動。世博會后主題館將綜合利用為展覽建筑群體。主題館作為永久保留場館建筑，地上建筑面積為8.0萬平方米，地下建筑面積為4.0萬平方米。工程概況工程概況屋面建筑平面投影為矩形平面，東西向288m，南北向216m，高度為26m。室內按功能要求分為三個區(qū)，即西側展廳中庭、東側展廳。其中，西側展廳是180m×140m無柱大空間。屋面結構南、北方向各懸挑18m。

建筑平面圖建筑平面圖結構方案選型結構挑戰(zhàn)主題館屋蓋結構設計之挑戰(zhàn)西側展廳為180m×140m無柱大空間，建成后為中國最大跨度展館之一。為保證建筑室內凈高要求，西側展廳屋面結構高度限制在12m之內。展廳南、北方向懸挑端跨度18m，如何有效解決懸挑端彎距對內側屋面的不利影響。屋面結構設計要體現(xiàn)屋面之輕盈、簡潔、通透，置身于展廳中將領略到結構之韻律美及先進結構技術造就的時代感。

結構方案選型方案一：單向張弦桁架西側展廳屋面結構選型軸側圖平面圖立面圖結構方案選型方案二：雙向張弦桁架軸側圖平面圖西側展廳屋面結構選型立面圖結構方案選型方案三：巨型折板框架軸側圖平面圖西側展廳屋面結構選型立面圖結構方案選型西側展廳屋面結構選型結構參數(shù)方案一方案二方案三結構方案單向張弦桁架雙向張弦桁架巨形折板框架結構高度(m)11.511.58標準豎向荷載跨中變形(mm)-368-426-262支座推力(KN)22541940單位用鋼量(kg/m2)101189104西側展廳屋面結構方案對比分析結果西側展廳屋面結構方案評價從結構效率來看，方案三最優(yōu)，結構高度最小，豎向剛度大；方案一在結構高度能滿足建筑室內要求的前提下，結構撓度符合要求，且單位用鋼量最??；方案二結構效率較低，用鋼量大。從對下部結構影響來看，方案一為自平衡體系，故對下部結構推力較小，柱子及基礎設計難度低，結構費用少；方案三為巨型門式剛架體系，上部結構對基礎的推力是一較難處理的問題。從對建筑要求影響來看，方案三兩側巨型柱各寬9m，建筑空間占用很大；方案一對下部結構要求較低，故柱子截面較小，建筑空間利用率較方案三高。經以上比較，西側展廳屋面結構選擇單向張弦桁架方案。結構方案選型張弦桁架實體圖西側展廳沿屋面縱向布置張弦桁架作為屋面結構的主要承重體系。結構跨度144m，結構高度11.5m，失跨比為1/12.5。每榀張弦桁架布置2道V字型撐桿。西側展廳屋面結構選型結構方案選型張弦桁架構成圖結合屋面建筑形態(tài)和表面機理，上弦采用斷面為正三角形立體桁架，立體桁架高3m，寬3m。兩對V字型撐桿上端連接于立體桁架下弦桿，下端通過索夾相連，從而確保了撐桿平面內、外穩(wěn)定性。索夾設計為在張弦桁架平面內可自由轉動，保證了索力有效傳遞。張弦桁架下弦采用兩根平行鋼拉索，拉索間隔1.5m拉索V字型撐桿立體桁架索夾張弦桁架結構方案選型東側展廳、中庭立體桁架實體圖東側展廳及中庭結構選型東側展廳及中庭屋面結構沿東西向采用多跨連續(xù)立體桁架作為屋面承重結構。立體桁架采用斷面為正三角形立體桁架，縱向三榀立體桁架下弦寬度均為3m，桁架高度均為3m。

結構方案選型挑檐設計挑檐設計挑檐采用變截面平面桁架結構形式，跨度18m，間隔3m，共192榀。為進一部加強挑檐結構的整體性，并改善檁條的受力性能，檁條中部通過V型隅撐系統(tǒng)與平面桁架下弦桿連接，形成獨特的三維檁撐體系。挑檐邊桁架平面桁架檁條隅撐挑檐布置圖結構方案選型檁條體系屋面檁條體系剖面圖屋面檁條體系選型檁條布置結合建筑屋面造型，一端連接于立體桁架上弦桿，另一端連接于立體桁架下弦桿，內跨檁條采用H型鋼。邊跨檁條設計為與挑檐相同結構形式，即變截面平面桁架，通過桁架檁條抗彎能力平衡了挑檐對邊桁架扭轉，減小了邊榀菱形桁架的截面尺寸。H型鋼檁條桁架檁條挑檐張弦桁架邊桁架結構方案選型支撐體系屋面支撐體系布置圖屋面支撐體系屋面沿縱向布置6道支撐。屋面沿橫向在西側展廳中間及兩側布置4道支撐，在東側展廳兩側布置2道支撐。屋面支撐結構方案選型屋面結構平面圖結構方案選型屋面結構軸側圖結構方案選型屋面結構剖面圖屋面縱向剖面圖屋面橫向剖面圖結構分析與設計荷載取值結構自重：按實際情況考慮屋面恒荷載：西側展廳屋面、東側展廳屋面及挑檐取0.8KN/m2中庭屋面取1.2KN/m2(考慮太陽能板荷載）屋面活荷載：整體計算取0.3KN/m2；檁條設計取0.5KN/m2屋面風荷載：挑檐處取2.7KN/m2，其他屋面取1.08KN/m2（風吸）溫度作用：上海市市區(qū)年極端最高氣溫38.8℃，年極端最低溫度-2.0℃，故取最不利季節(jié)溫差40.8℃作為結構設計溫度值。地震作用：設防烈度為7度，特征周期0.9s，屋蓋單獨計算阻尼比取0.02，上、下部結構整體計算取0.035荷載取值屋面三結構三單獨三計算三模型上、三下部三結構三整體三計算三模型結構三分析三模型本結三構采三用以三下計三算分三析模三型：三屋面三單獨三計算三模型三，采三用彈三簧單三元模三擬下三部結三構的三剛度三；屋三面與三下部三結構三整體三計算三模型三；同三時還三對單三榀張三弦桁三架進三行張三拉分三析。計算三模型結構三分析三與設三計初始三預應三力狀三態(tài)下三內力三圖初始三預應三力狀三態(tài)下三變形三圖初始三態(tài)單根三索力初始三預應三力為19三87三KN，其三應力三為11三2M三Pa上弦三桿內三力初始三預應三力狀三態(tài)下三為26三43三KN單榀三張弦三桁架靜力三分析結構三分析三與設三計荷載三態(tài)單根三索力1.三2D三ea三d＋1.三4L三iv三e，內三力為50三10三KN三,其應三力為28三4M三pa上弦三桿內三力1.三2D三ea三d＋1.三4L三iv三e，內三力94三51三KN1.三2恒三＋1三.4三活荷三載作三用下三內力三圖1.三2恒三＋1三.4三活荷三載作三用下三變形三圖結構三分析三與設三計單榀三張弦三桁架靜力三分析單榀三張弦三桁架三靜力三分析三結果三表結構三分析三與設三計荷載工況分析內容分析結果Self拉索內力（KN）1987預應力反拱(mm)103支座滑移(mm)47Self+Dead拉索內力（KN）3840跨中撓度(mm)-236支座滑移(mm)21Self+Dead+Live拉索內力（KN）4404跨中撓度(mm)-339支座滑移(mm)14Self+Dead+Wind拉索內力（KN）2497跨中撓度(mm)20支座滑移(mm)40張弦三桁架三跨中三最大三撓度三為-3三39三mm，小三于跨三度的1/三40三0在風三載作三用下三，張三弦桁三架最三小索三力為24三97三KN，拉三索不三松弛張弦三桁架三支座三最大三滑移三量為47三mm單榀三張弦三桁架靜力三分析荷載工況分析內容單獨分析整體分析誤差（%）Self+Dead+Live拉索內力（KN）415343524.5跨中撓度(mm)-368-3834支座推力（KN）112250Self+Dead+Live+Tempereture拉索內力（KN）408543285.6跨中撓度(mm)-354-3571.1支座推力（KN）941049.6屋蓋三上部三結構三單獨三分析三與上三、下三部結三構整三體分三析比三較分析三結果三評價單獨三分析三與整三體分三析在三拉索三內力三及跨三中撓三度方三面的三差異三均較三小，三因此三單獨三分析三結果三能夠三滿足三上部三屋蓋三設計三要求三。單獨三分析三與整三體分三析支三座推三力差三異較三大，三原因三主要三是由三于下三部結三構復三雜，三采用三彈簧三單元三較難三真實三模擬三支座三處側三向剛三度。三因此三，需三要通三過上三、下三部整三體分三析才三能較三準確三地確三定上三部屋三蓋對三下部三結構三的真三實反三力。結構三分析三與設三計屋蓋三靜力三分析超長三結構三溫度三效應三分析結構三分析三與設三計樓面三溫度三作用一層三東側三展廳三為18三0m三×1三08三m大空三間，三本層三樓面三尺寸三超出三規(guī)范三建議三的伸三縮縫三間距三限制三，屬三于大三面積三樓蓋三結構三，故三采用三有限三元計三算分三析樓三板溫三度應三力問三題。鋼框三架與三混凝三土樓三板同三時升三降溫40三.8三℃，采三用混三凝土三彈性三模量三折減三來模三擬混三凝土三樓板三的徐三變問三題。超長三結構三溫度三效應三分析結構三分析三與設三計樓面三溫度三作用應力三集中三部位樓板三右側三邊三三等分三附近樓板三左側三邊跨三中處樓板三上下三邊左三角處應力三集中三處樓三板最三大應三力1.三90三mp三a>三1.三43三mp三a應力三集中三原因相同三位置三附近三布置三有柱三間支三撐，三限制三了板三的自三由收三縮非應三力集三中處三樓板三應力三平均三為0.三2m三pa動力三分析第一三階：三縱向三整體三平動三，周三期1三.2三s第二三階：三橫向三整體三平動三，周三期0三.9三4s第三三階：三整體三扭轉三，周三期0三.7三3s結構三分析三與設三計分析內容分析結果結構自振周期T1(s)1.2T2(s)0.94T3(s)0.73T3/T10.61最大層間位移角縱向地震作用1/361橫向地震作用1/409最大層間位移與平均層間位移的比值縱向地震作用1.032橫向地震作用1.259動力三分析三結果屋面三結構三動力三分析三結果三表通過三屋面三支撐三和柱三間支三撐的三合理三布置三，結三構的三扭轉/平動三周期三比、三最大三扭轉三位移三比以三及最三大層三間位三移角三均滿三足相三關規(guī)三范要三求。結構三分析三與設三計設計三結果屋面三結構三主要三桿件三規(guī)格三及應三力比三表桿件三最大三應力三比控三制在0.三8以下拉索三鋼絲三束破三斷強三度16三70三Mp三a，設三計最三大應三力比三為0.三34屋蓋三結構三總用三鋼量三為59三31噸，三其中三鋼管三