弦支展開式屋頂結(jié)構(gòu)體系在連云港體育場屋面中的應(yīng)用

弦支展開式屋頂結(jié)構(gòu)體系在連云港體育場屋面中的應(yīng)用

1高爾夫球場屋蓋東鄉(xiāng)體育中心的總建筑面積為16212平方米，可容納5000名固定的公眾。建成后，將成為一個集比賽、培訓(xùn)、會議、表演等功能于一體的先進綜合體育館（圖1）。體育館屋蓋由覆蓋比賽場地上空的球殼和覆蓋入口處的三角形殼面(圖2)組成。比賽場地上空屋蓋位于半徑為160m的球殼上,球殼頂點標高為27.5m,其水平投影為直徑94m的圓,所有的下部支承結(jié)構(gòu)位于直徑為78m的圓周上,球殼矢跨比為1/17。在屋蓋的中央部位,設(shè)有一直徑為16m的玻璃采光頂。覆蓋入口休息廳處的殼面位于曲率半徑為100m的球面上,其高端弧形邊界與比賽場地上空球殼相切,其低端角點標高為5.5m。2高爾夫球場水體結(jié)構(gòu)面外剛度的影響連云港體育中心體育館比賽場地上空屋面為典型的扁平球殼。按照網(wǎng)殼的設(shè)計思路,如此小的矢跨比一方面不利于發(fā)揮殼體形狀抵抗外力的特點,從而不得不利用殼體面外剛度,限制了殼體的結(jié)構(gòu)效率;另一方面,殼體在支座處將對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平推力,從而給下部支承結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來巨大的挑戰(zhàn)。經(jīng)過多方案的研究比較,體育館比賽場地上空屋蓋結(jié)構(gòu)采用了弦支穹頂結(jié)構(gòu)作為屋面的承重結(jié)構(gòu),外側(cè)入口處屋蓋采用放射狀布置桁架體系,是由拱肋與下部拉索及撐桿組成的。整個屋蓋結(jié)構(gòu)體系由上部剛性單層管結(jié)構(gòu)殼體、下部空間索撐體系、內(nèi)環(huán)桁架、外環(huán)桁架、玻璃頂結(jié)構(gòu)以及外側(cè)挑檐組成(圖3)。2.1殼面內(nèi)聯(lián)方型支撐弦支穹頂上部剛性殼體結(jié)構(gòu)采用了肋環(huán)型球面網(wǎng)殼,見圖3(a),由24榀徑肋、6道環(huán)肋組成。環(huán)肋水平間距約3~4m,兼作結(jié)構(gòu)的主檁。為提高殼體面內(nèi)的剪切剛度及抵抗非對稱荷載的能力,改善剛性殼體的空間受力性能,在殼面內(nèi)設(shè)置聯(lián)方型支撐,見圖3(c)。殼體在場地中心上部與高2.5m、寬2.5m的倒三角形內(nèi)環(huán)桁架連接,進而形成中部玻璃頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu);在周圍設(shè)置高3m、寬3m的倒三角形外環(huán)桁架。2.2環(huán)索的布置籍助張拉整體的概念,在剛性殼體結(jié)構(gòu)下部設(shè)置空間索撐體系,見圖3(d)。共布置了6道環(huán)索,環(huán)索通過V形布置的徑向拉索和V形撐桿與上部殼體的徑肋相連,從而將下部索撐體系與上部殼體結(jié)構(gòu)組合成整體。從內(nèi)向外,內(nèi)部四圈撐桿垂直高度3m,第五圈撐桿垂直高度3.5m,最外圈撐桿垂直高度4m,見圖3(d)。2.3角建設(shè)的結(jié)構(gòu)屋蓋中央為直徑16m的玻璃頂,其支撐結(jié)構(gòu)為呈60°角放射狀布置的空間索拱體系,共布置了3榀索拱。索拱由上部放射狀拱肋、下部拉索以及中央撐桿組成,拱腳與拉索端部均固定于殼體的內(nèi)環(huán)桁架上。2.4休息廳屋蓋平面桁架間環(huán)布置為保持屋蓋結(jié)構(gòu)布置的延續(xù)性,休息廳屋蓋及外環(huán)懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)體系采用沿內(nèi)部屋蓋徑向布置的平面桁架,見圖3(e)。其中,休息廳屋蓋平面桁架內(nèi)端與屋蓋外環(huán)桁架相連,外側(cè)支承在入口通廊柱頂上。平面桁架間環(huán)向布置鋼檁條,一方面支撐屋面維護結(jié)構(gòu),另一方面增加平面桁架上弦的面外穩(wěn)定性。為了進一步提高平面桁架下弦面外穩(wěn)定性,并改善檁條的受力性能,在檁條3分點處設(shè)置隅撐與平面桁架下弦相連,從而形成了獨特的三維檁撐體系。2.5屋頂模型變形控制內(nèi)部屋蓋的24個支座均位于以O(shè)為圓心、直徑為78m的混凝土環(huán)梁上,為減小混凝土環(huán)梁承受的水平推力,其中23個支座采用沿環(huán)向固定、徑向釋放的單向滑動支座,另外一個支座采用施工階段滑動,待屋面維護結(jié)構(gòu)安裝完成后變?yōu)楣潭ㄣq支座,見圖3(f)。為了彌補支座釋放后,屋蓋結(jié)構(gòu)徑向支撐(約束)條件的削弱,在支座處設(shè)置了高3m、寬3m的倒三角形外環(huán)桁架,殼體通過外環(huán)桁架支承于固定在混凝土環(huán)梁上的支座上。外環(huán)桁架的設(shè)置一方面可以在釋放屋蓋結(jié)構(gòu)對下部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生推力的同時,借助外環(huán)桁架的軸向剛度,有效地減小滑動支座的滑動量,提高整個上部屋蓋的整體性;另一方面,使結(jié)構(gòu)形式和受力機理完全不同的內(nèi)部屋蓋殼體和外部平面桁架兩部分屋面結(jié)構(gòu)既能不影響各自的受力又能有機地結(jié)合在一起。3靜結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計3.1結(jié)構(gòu)的非線性分析結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮了以下幾種荷載工況,包括屋面結(jié)構(gòu)自重;屋面恒荷載0.5kN/m2(D);屋面活荷載0.5kN/m2(L);屋面風(fēng)荷載基本風(fēng)壓取0.55kN/m2(W),其中比賽場地上空球殼風(fēng)荷載體型系數(shù)為-0.924,入口休息廳處屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)為-2.0;馬道、燈具、音響等設(shè)備荷載按照實際加載時的布置折算為線荷載加載到環(huán)向構(gòu)件上,荷載取值5kN/m;溫度作用取±20℃。由于結(jié)構(gòu)的非線性特征,對工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行了多種分析工況的非線性計算,并且考慮了半跨活荷載對結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)與正常使用狀態(tài),在計算中共進行了30種荷載工況組合。3.2上部索撐體系的主被動分析張弦結(jié)構(gòu)設(shè)計中,合理的索初始態(tài)預(yù)應(yīng)力度是充分發(fā)揮下部索撐體系對上部剛性結(jié)構(gòu)主動內(nèi)力和變形控制的前提。連云港體育館弦支穹頂結(jié)構(gòu)拉索預(yù)應(yīng)力的確定主要從下述5個方面加以考慮。(1)滿足結(jié)構(gòu)變形要求初始態(tài)張拉施工完成后,結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足既定的幾何性態(tài)要求,反拱不致過大。結(jié)構(gòu)正常使用階段,結(jié)構(gòu)最大變形值滿足規(guī)范要求。(2)桿件的受壓導(dǎo)壓桿件歷程合理的拉索內(nèi)力可以減少單層網(wǎng)殼構(gòu)件所承受的彎矩,所有桿件以承受軸壓為主,提高結(jié)構(gòu)效率;同時,使上部單層網(wǎng)殼構(gòu)件內(nèi)力在最不利荷載工況下達到最小,從而優(yōu)化桿件截面,減小結(jié)構(gòu)用鋼量。(3)持一定的張力水平在最不利荷載工況下,拉索不退出工作,并且保持一定的張力水平。綜合考慮各種荷載工況下以及拉索在安裝和使用過程中所造成的拉索預(yù)應(yīng)力損失,鋼索中最小應(yīng)力控制在50MPa以上。(4)內(nèi)、外滑移拉索預(yù)應(yīng)力以及后繼荷載態(tài)作用將導(dǎo)致屋蓋支座內(nèi)、外滑移。在保證使用階段滑動支座正常工作性能的前提下,為方便滑動支座的設(shè)計,應(yīng)使所選取的初始態(tài)預(yù)應(yīng)力下支座內(nèi)、外滑移量相差不大。(5)環(huán)索預(yù)應(yīng)力的重要性以體育館建筑要求的結(jié)構(gòu)外形為結(jié)構(gòu)分析的初始建模位形,經(jīng)多次分析對比,選擇結(jié)構(gòu)在自重作用下環(huán)索預(yù)應(yīng)力從內(nèi)向外依次為150,200,290,370,460,580kN,環(huán)索預(yù)應(yīng)力比值約為1∶1.3∶1.9∶2.5∶3.0∶3.8。3.3結(jié)構(gòu)力的學(xué)性分析典型工況下,下部索撐體系環(huán)索以及上部網(wǎng)殼徑肋、環(huán)肋中的內(nèi)力如圖4~6所示。其中環(huán)索編號見圖3(d),徑肋、環(huán)肋編號見圖3(a)。1.環(huán)索力的變化由圖4可以看出,從外向內(nèi),環(huán)索的內(nèi)力在各典型工況下變化幅度逐漸減小。與初始預(yù)張力相比,環(huán)索6在1.2D+1.4L作用下索力增長了一倍,達到1180kN,在0.9D+1.4W作用下索力減小了一半,達到260kN;而環(huán)索1內(nèi)力幾乎沒有變化。究其原因,屋面重力荷載從中央向四周傳遞,故下部張拉整體結(jié)構(gòu)中撐桿提供的豎向反力從內(nèi)向外逐漸增加,而撐桿中反力將直接導(dǎo)致與撐桿相連的水平環(huán)索中產(chǎn)生拉力,所以,與內(nèi)側(cè)環(huán)索相比,外側(cè)環(huán)索隨著屋面荷載的變化較顯著。2.環(huán)肋的壓力隨高度變化情況下,主要受拉壓在初始態(tài)下,由圖5可以看出,徑肋從內(nèi)向外受力均勻,且數(shù)值接近于0,說明施加初始預(yù)張力后,下部索撐體系對上部單層網(wǎng)殼產(chǎn)生了反拱作用,從而抵消了上部屋面構(gòu)件自重作用,起到了卸載的作用;但是,圖6表明,環(huán)肋壓力從內(nèi)向外幾乎呈線性增加,6號環(huán)肋壓力達到了380kN,這與徑肋受力趨勢差異明顯。究其原因,下部索撐體系中環(huán)索施加預(yù)應(yīng)力將通過徑向拉索對上部單層網(wǎng)殼產(chǎn)生向中央收縮的環(huán)向壓力,這一環(huán)向壓力主要由上部單層網(wǎng)殼各道封閉的環(huán)肋來抵抗,由于環(huán)索的初始預(yù)張力從內(nèi)向外逐漸增加,從而導(dǎo)致環(huán)肋的壓力從內(nèi)向外也逐漸增加。1.2D+1.4L工況下,徑肋壓力從內(nèi)向外先逐漸增大,到5號徑肋時達到峰值,為510kN,6,7號徑肋內(nèi)力有所減小,7號徑肋內(nèi)力較5號徑肋減少了20%;環(huán)肋的受力趨勢與徑肋大體相同,4號環(huán)肋處壓力最大為450kN,5,6號環(huán)肋壓力較內(nèi)側(cè)環(huán)肋又有大幅度的減小,其中6號環(huán)肋壓力僅為4號環(huán)肋的22%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是上部單層網(wǎng)殼與下部索撐體系協(xié)同工作的結(jié)果。對于徑肋來說,由于弦支穹頂內(nèi)部幾道索撐體系對上部結(jié)構(gòu)支撐作用不甚明顯,所以屋蓋內(nèi)側(cè)部分的受力性態(tài)主要體現(xiàn)為單層網(wǎng)殼的特點,即徑肋中壓力呈增長趨勢。而隨著弦支穹頂外圍環(huán)索效率的大大提高,下部索撐體系在外圍對上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)卸載效果最明顯,部分豎向荷載通過下部索撐體系直接傳遞到支座上,從而減少了外圍徑肋的內(nèi)力。對于環(huán)肋,內(nèi)部幾圈受力性態(tài)與初始態(tài)相同,即主要受下部索撐體系影響,壓力逐漸增大,而在靠近支座處,由于上部網(wǎng)殼的環(huán)向推力作用,外圈環(huán)肋中產(chǎn)生了較大的拉力,此拉力部分抵消了下部索撐體系環(huán)索對外圍環(huán)肋的壓力作用,從而使外圍環(huán)肋中的內(nèi)力較內(nèi)側(cè)環(huán)肋有較大的減小。由于屋面恒載較輕,0.9D+1.4W工況下,徑肋主要受拉力,最大拉力出現(xiàn)在5號徑肋,為460kN,比較0.9D+1.4W工況和1.2D+1.4L工況可以發(fā)現(xiàn),徑肋拉、壓力絕對數(shù)值幾乎相同,這也進一步說明下部索撐體系預(yù)應(yīng)力施加的較為合理。環(huán)肋1~5號受力均較小,但是第6圈環(huán)肋由于單層網(wǎng)殼邊界條件變化以及下部索撐體系的共同作用,最大壓力達到了600kN,可以看出,對于上部為肋環(huán)斜桿型單層網(wǎng)殼的弦支穹頂結(jié)構(gòu),最外圈環(huán)肋的受力較為不利。3.4高爾夫球場弦支頂天開機構(gòu)設(shè)計方案及應(yīng)力分析各典型工況下支座滑動量、殼體的豎向撓度對比見表1。從表1可以看出,溫度作用對支座滑移量影響顯著,在最不利荷載組合下,支座的正、負向滑程分別為14,-6.9mm;由于結(jié)構(gòu)恒荷載較小,風(fēng)荷載對屋蓋結(jié)構(gòu)豎向變形影響較大,1.0D+1.0W作用下結(jié)構(gòu)反拱達到70mm,與1.0D+1.0L作用下結(jié)構(gòu)變形量幾乎相同。在最不利荷載組合下,結(jié)構(gòu)最大變形為75mm,小于L/250=312mm,滿足規(guī)范要求。此外,在初始態(tài)張拉完成后,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反拱,從而可以使屋蓋結(jié)構(gòu)自動脫離施工胎架。屋面弦支穹頂結(jié)構(gòu)中,上部單層網(wǎng)殼構(gòu)件以及撐桿均采用圓鋼管,材質(zhì)為Q345B;環(huán)索采用平行鋼絲束,極限強度為1670MPa,環(huán)索強度設(shè)計取值不超過索材極限強度的50%;徑向拉索采用高強度鋼棒,屈服強度為650MPa?？紤]到下部索撐體系對上部單層網(wǎng)殼起到了有效的支承作用,因此,上部單層網(wǎng)殼構(gòu)件設(shè)計時,其平面外計算長度取1.0。構(gòu)件設(shè)計見表2,所有構(gòu)件應(yīng)力比均控制在0.75以下。屋面結(jié)構(gòu)單位用鋼量為53.3kg/m2。體育館弦支穹頂下部索撐體系中環(huán)索、斜拉索及撐桿連接節(jié)點匯交桿件數(shù)量多,拉索內(nèi)力較大,節(jié)點的構(gòu)造和受力均比較復(fù)雜,故采用鑄鋼節(jié)點。為了解該節(jié)點的受力性能,分析其在使用期間的安全性,進行彈塑性有限元分析。彈塑性開展遵循vonMises屈服準則和相關(guān)流動法則,假定材料為理想彈塑性。圖7為節(jié)點有限元分析模型以及應(yīng)力云圖。根據(jù)分析,該節(jié)點最大等效應(yīng)力為233MPa,節(jié)點的強度滿足安全要求。4結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析4.1ink10單元模型模擬及分析采用ANSYS對體育館屋蓋進行了基于結(jié)構(gòu)非線性剛度的屈曲分析以及考慮幾何、材料雙重非線性的彈塑性極限承載力分析。分別運用ANSYS程序單元庫中的Beam188,Link8和Link10單元模型模擬梁單元、桿單元和索單元。考慮了初始缺陷對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響,初始缺陷分布取結(jié)構(gòu)特征值分析第1階屈曲模態(tài),初始缺陷最大值取網(wǎng)殼支承跨度的1/300。極限承載力分析根據(jù)活荷載不利布置取兩種基本荷載組合:1.0D+1.0L(全跨);1.0D+1.0L(半跨)。采用Newton-Raphson和弧長法來跟蹤平衡路徑。非線性分析分為兩個荷載步:第一步是初始態(tài)預(yù)應(yīng)力張拉分析,分析中只計及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重,預(yù)應(yīng)力增量加載分析迭代收斂后,獲得結(jié)構(gòu)承載前的初始形態(tài);第二步是對初始態(tài)的結(jié)構(gòu)進行附加荷載效應(yīng)分析。4.2兩種荷載組合下屈曲模態(tài)的比較對于弦支穹頂結(jié)構(gòu),由于拉索的存在,結(jié)構(gòu)在加載過程中,應(yīng)力剛化效應(yīng)明顯。因此在對結(jié)構(gòu)進行屈曲分析時,如果不計拉索的非線性應(yīng)力剛度,而直接采用線性的特征值屈曲分析,將造成索體剛度偏小和結(jié)構(gòu)剛度失真,從而無法得到結(jié)構(gòu)的真實屈曲模態(tài)。分別考慮了活荷載全跨和半跨布置以及初始缺陷對屋面弦支穹頂結(jié)構(gòu)屈曲的影響。表3列出了標準荷載組合下的屈曲因子。由于篇幅有限,在此僅給出兩種荷載布置下完善結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)(圖8)以作比較。從表3中可以看出,活荷載全跨布置下非線性屈曲因子與活荷載半跨布置相差很小,這說明本屋蓋弦支穹頂結(jié)構(gòu)對半跨荷載作用不是很敏感;而初始缺陷對結(jié)構(gòu)屈曲影響較顯著,活荷載全跨布置和半跨布置下,分別較完善結(jié)構(gòu)下降了32%,30.2%。從圖8中可見,全跨和半跨荷載作用下,弦支穹頂結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)均主要表現(xiàn)為上部單層網(wǎng)殼中部徑肋節(jié)點處平面外失穩(wěn),與單層網(wǎng)殼相比,弦支穹頂結(jié)構(gòu)的破壞位置向穹頂?shù)闹行姆较蛞苿恿?這再一次體現(xiàn)了下部索撐體系在外圍對上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支撐作用較明顯。4.3結(jié)構(gòu)體系中荷載-位移關(guān)系曲線雖然幾何非線性分析可以揭示結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性基本特征,但是并不能排除結(jié)構(gòu)中部分桿件在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前已進入塑性,而這不僅對結(jié)構(gòu)的整體剛度產(chǎn)生影響,而且將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的極限承載力下降。因此,只有在結(jié)構(gòu)全過程受力性能中同時考慮幾何非線性和材料非線性,才能較準確地分析出結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性以至于剛度的整個變化歷程,并最終得到結(jié)構(gòu)的真實承載力。圖9給出了活荷載全跨布置和半跨布置下,弦支穹頂上部單層網(wǎng)殼最大豎向變形節(jié)點的荷載-位移關(guān)系曲線。由圖可見,活荷載布置方式對本屋蓋弦支穹頂結(jié)構(gòu)極限承載力影響很小,而初始缺陷對結(jié)構(gòu)極限承載力影響較大。其中,完善結(jié)構(gòu)中,活荷載全跨布置與半跨布置結(jié)構(gòu)的極限承載力荷載因子分別為6.64和6.38;而有初始缺陷結(jié)構(gòu)中,荷載因子分別為3.15和2.97,較完善結(jié)構(gòu)分別下降了52.5%和53.4%。從圖9(a)中可以發(fā)現(xiàn),完善結(jié)構(gòu)荷載-位移關(guān)系曲線的斜率在3.81倍的標準荷載組合以下基本保持不變,隨后曲線斜率有輕微的下降;到6.51倍的荷載因子時,曲線斜率下降明顯,在荷載增加很少的情況下,結(jié)構(gòu)變形增加明顯;到6.64倍的荷載因子時,結(jié)構(gòu)已不能繼續(xù)承擔(dān)外荷載作用。上述現(xiàn)象的原因可以從結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展得到清晰的認識。當(dāng)荷載因子達到3.81時,由于上部單層網(wǎng)殼徑肋與外環(huán)桁架連接為剛性連接,故局部彎矩較大,從而首先形成了塑性鉸,而這對結(jié)構(gòu)的整體剛度影響很小,故結(jié)構(gòu)剛度變化也很小;當(dāng)荷載因子達到6.51倍的荷載因子時,屋蓋中部徑肋處首先進入塑性,隨著荷載少量增加,大量的徑肋進入塑性,并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。由于荷載布置方式和初始缺陷對結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展趨勢影響較小,故這里不再敘述。5該弦支部分天氣動力的安全度弦支穹頂結(jié)構(gòu)作為一種新型的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu),目前國內(nèi)還沒有規(guī)范專門針對于該類結(jié)構(gòu)體系的極限承載力作出規(guī)定?？紤]到弦支穹頂上部結(jié)構(gòu)為單層網(wǎng)殼,故按現(xiàn)行的《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ61—2003)的規(guī)定,并結(jié)合彈塑性極限承載力結(jié)果,試對該弦支穹頂結(jié)構(gòu)的安全度作一評