網球館鋼結構開屋蓋固定屋面設計

網球館鋼結構開屋蓋固定屋面設計

結構是近年來發(fā)展起來的全球預測結構。它充分利用了高強度拉索的抗拉性，提高了結構的強度性能，具有良好的應用價值和發(fā)展前景。但該結構體系在國內剛剛起步,已公開的國外相關文獻也比較少,系統(tǒng)的理論研究和工程實踐經驗都十分缺乏。因此,確定張弦梁結構的研究方法,分析其受力特點和性能,開發(fā)設計合理的節(jié)點形式并與實際工程相結合具有十分重要的意義。1高爾夫球場公共活動區(qū)域黃龍體育中心網球館是浙江省重點工程,主要建筑為比賽館、訓練館及相應的綜合配套設施。整體工程位于體育中心主體育場西側,總占地面積2.8×104m2,其中主建筑為一5000座的網球比賽館,整體結構呈圓形,頂部采用開合屋蓋設計,平時處在開啟狀態(tài),在天氣惡劣或舉行公共活動需要時,可將活動屋面關閉。網球中心建筑效果如圖1所示。2屋頂結構支撐設計方案根據(jù)建筑要求,屋蓋部分覆蓋直徑86m的圓形區(qū)域,周邊環(huán)桁架通過下部支撐布置在投影半徑為37.3m的看臺上;主拱桁架作為結構主要承力構件,一端搭設于落地的鋼筋混凝土獨立承臺上,另一端支承在鋼筋混凝土框架上,拱腳跨度為93.7m?；顒游菝嬖趦蓚€主拱桁架中部的水平軌道桁架上運行,驅動機械采用索牽引與臺車驅動結合的方式。完全打開后開啟部分的水平投影面積為21m×36m(沿主拱方向),開啟閉合時間約為15min。由圖2可知,固定屋面被主拱桁架平行劃分為3個部分,兩拱之間的部分設4道連系桁架以加強結構整體性,其余部分面積較小以單層網殼為主;拱兩邊的看臺屋面一端與拱桁架下弦相連,另一端鉸接在環(huán)桁架上弦,最大跨度近24m,結構覆蓋面積約3000m2。環(huán)桁架與下部鋼筋混凝土看臺平行,軸線為波浪形不規(guī)則空間曲線,相連的該部分屋面外觀也相應地呈不規(guī)則的扁殼形。屋面支撐桿件根據(jù)屋面板鋪設要求呈輻射狀布置。為滿足設計需要,目前通常采用網殼或立體桁架作為支撐,但該部分屋面徑向曲率很小,周邊支承和投影形狀也導致其可利用的殼體效應很弱。采用單層網殼在載荷作用下看臺屋面隨跨度增大中部撓度明顯增加;采用雙層網殼則存在桿件密集,影響網球場內視覺效果;采用立體桁架在屋面外形條件下無法很好地構成建筑要求的平滑曲面外觀,效果也不理想。經過多種方案的比較后決定采用單層肋環(huán)型網殼加張弦梁的雜交體系作為結構支撐。正如前面所述,單純采用單層肋環(huán)型網殼,徑向桿件的跨中撓度對結構起控制作用。此時采用較高強度的鋼材不能解決問題,必須要加大桿件截面。但增大截面是為了控制變形,沒有充分利用鋼材的強度,而且使用鋼量大幅度增加,經濟性指標大大下降。而引入張弦梁體系充分利用了高強索的抗拉性改善了上弦桿件的受力和變形性能,使全結構成為受力合理的自平衡體系?？梢哉f,這種結構既具有網殼造型靈活的特點,又具備了桁架簡潔、明確的受力特點,如圖3所示。在這種結構中,下弦預應力拉索與屋面網殼的徑向桿件一起構成張弦梁體系,為屋面結構提供支撐。從受力形式上分析,張弦梁下弦預應力拉索通過撐桿提供彈性支撐,結構預應力反拱抵消了結構自重產生的豎向撓度,從而大大減少了上弦桿件在使用階段的彎矩,并在一定程度上抵消了梁端推力。環(huán)向桿件保證了張弦梁上弦的平面外穩(wěn)定,也利于檁條和屋面板的鋪設。對于下弦拉索即撐桿的穩(wěn)定問題可以通過圖4分析。假定撐桿下端B有一個平面外的微小位移Δ,如圖4所示,因為撐桿的軸力大小等于拉索在該點的合力,它的豎向分力對上弦支點A所產生的使B向平面外的力矩為M1=2NsinθΔ,而該點的水平合力作用則是使B點回復原位,它所產生的回復力矩為M2=2NcosθHΔ/L,兩者比較可得M1/M2=tanθL/H?？芍攺埾伊荷舷移鸸皶rH/L>tanθ,則M2>M1,亦即使撐桿回到平衡位置的力矩大于出平面力矩,所以可認為撐桿和下弦拉索不會出現(xiàn)面外失穩(wěn),結構是一個自平衡的穩(wěn)定體系。實際設計中,考慮到部分結構上弦起拱很小,為確保結構穩(wěn)定性在每個撐桿端部節(jié)點加設由鋼棒構成的對拉支撐體系。3拉索預應力對結構設計的影響張弦屋蓋覆蓋面積2405m2,全部結構桿件采用國產Q345-B低合金鋼無縫鋼管,上弦桿相貫連接,其中徑向桿為主要承力構件,截面為Φ299×9,環(huán)向桿件截面為Φ194×8;撐桿主要承受軸力,截面為Φ121×6;HJ-1~HJ-3下弦懸索為1570級7×37扭絞型拉索,HJ-4為1570級5×37拉索。該部分屋面鋼結構自重752kN,單位投影面積用鋼量31.3kg/m2。如上所述,兩片看臺固定屋面分別形成一個自平衡的穩(wěn)定體系,在理想狀態(tài)下,四周與拱桁架下弦與環(huán)桁架上弦鉸接連接。張弦梁拉索預應力的作用是使結構反拱以增大整體結構的抗彎剛度,并降低結構的豎向位移。一方面,索的張拉力過大必然會給上弦桿件附加一個額外的軸向壓力和彎矩,從而增加結構用鋼量;另一方面,預應力過小會導致在負載荷作用下,弦索失去張力而退出工作,這對結構內各桿件的協(xié)同工作很不利。因此,合理選擇拉索預應力對結構設計有很重要的意義。根據(jù)風洞試驗的結果,固定屋面風載極大值(風壓)與極小值(風吸)數(shù)值基本相等,則設計要求預應力作用下結構反拱值與結構在自重(含懸掛設備及屋面板)下產生的豎向撓度相抵消,即張弦梁上弦桿件在無風的正常使用狀態(tài)下彎矩最小。根據(jù)最小勢能原理得到有限元迭代方程:整理成Newton-Raphson迭代公式,有:[KT]{Δd}n+1={p}-{F(fyqmakcn)}(2)其中,qcbxwgyn+1=qzyiwgfn+{Δd}n+1;剛度矩陣[KT]是由張弦梁中的三種主要結構單元:梁單元、桿單元和索單元各自形成單元剛度矩陣后組合而成的總體剛度矩陣。根據(jù)上述原理,張弦屋面上弦桿按照桿單元計算,撐桿主要承受軸力且桿件截面較小按照桿單元計算,下弦懸索分索段按不受壓桿單元計算。鋼管的彈性模量為2.06×105MPa,鋼材的密度為7.8×103kg/m3。懸索彈性模量為1.95×105MPa。由此得到的拉索-索力值見表1。值得注意的是,由于加工完成的鋼結構構件剛度與計算模型有可能存在一定差異,需要在張拉過程中實施張拉力和張拉變形雙控制以達到設計要求的張拉效果。4張弦梁下節(jié)點桿端彎矩根據(jù)設計要求,張弦梁屋面與桁架的連接必須在張弦梁施加預應力之后進行,同時計算模型中張弦梁與桁架連接節(jié)點設計為轉動鉸,以保證張弦梁在受載變形時節(jié)點處能夠自由轉動,避免在四周桁架上產生附加彎矩。對于張弦梁與主拱連接節(jié)點,由于兩桿斜交,若設計鉸接節(jié)點則設計施工難度較大,若張弦梁張拉后與主拱通過相貫節(jié)點焊接到位,則在使用階段張弦梁上節(jié)點桿端最大彎矩見表2。由于上弦桿的剛度較小,在結構受載時對主拱產生的扭矩不大,比較主拱桿件832kN·m的抗扭強度而言,影響可以忽略。對于張弦梁與環(huán)桁架連接節(jié)點,由于環(huán)桁架桿件尺寸較小,抗扭能力有限,為減少扭矩的不利影響專門設計了鉸接節(jié)點,如圖5所示。另外,張弦梁撐桿在分析計算中作為二力桿只傳遞軸力,而在實際使用過程中撐桿與拉索相連,桿端容易產生較大位移,因此有必要在撐桿兩端設計轉動鉸。張拉完成后,為了保證撐桿桿端索夾板不與拉索發(fā)生相對滑動,必須擰緊板上的高強度螺栓,對拉索產生足夠的壓力,從而使兩者之間產生足夠的摩擦力,一般應使扭矩值對應的摩擦力為撐桿在拉索上可能產生的最大摩擦力的5倍以上。圖6為張弦梁撐桿及索夾示意。5張弦梁體系特點結合杭州黃龍體育中心網球館屋蓋鋼結構設計,討論了張弦梁結構在肋環(huán)型網殼中的應用和受力性能,得到以下結論:1)網架及網殼結構中引入預應力張弦體系能夠有效降低跨中撓度,改善桿件受力性能,從而減少結構總用鋼量,同時提供了