多重弦支网格梁结构在山西体育中心三馆钢屋盖中的应用.pdf

书书书 建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 5 期 2012 年 5 月 Vol. 33No. 5May 2012 001 文章编号 1000-6869 2012 05-0001-08 多重弦支网格梁结构在山西体育中心三馆 钢屋盖中的应用 傅学怡，杨想兵，高颖 中建 北京 国际设计顾问有限公司，北京 100013 摘要 多重弦支网格梁结构由上部单层网格梁和下部多重弦支结构组成。上部单层网格梁为双向正交正放连续网格梁， 下 部多重弦支结构由主索、 次索、 竖向撑杆以及斜拉钢棒构成， 上下两部分结构共同工作形成空间结构整体。通过主索、 次索 两端施加预加应力， 使所有索张紧、 竖向撑杆受压、 上部网格梁整体上拱， 改善单层网格梁受力和变形特性， 提高其承载力 和稳定性; 通过山西体育中心三馆屋盖钢结构体系选型分析， 将多重弦支网格结构与张弦梁结构的受力性能进行对比分 析， 研究表明 多重弦支网格梁结构具有更好的空间作用效应， 提高其整体结构的稳定性和承载力。 关键词 大跨度钢结构;多重弦支网格梁;预应力;有限元分析;结构选型 中图分类号 TU393. 3TU318文献标志码 A Application of multiple suspended beam structure in the Shanxi Olympic Gymnasium FU Xueyi，YANG Xiangbing，GAO Ying China Construction Beijing Design International，Beijing 100013，China AbstractThe multiple suspended latticed steel beam structure consists of the single- layer grid beam system upper and the multiple cables system lower ． The upper single- layer system is composed of the two- way orthogonal continuous grid beams，while the lower cables system is composed of major cables，secondary cables，vertical struts and inclined steel rods． The two parts work together and the whole spatial structure． By prestressing the major and secondary cables，the struts are compressed and the upper beam system is cambered into arch shape，resulting in improved mechanism and deation perance of the upper single- layer beam system． By selection analysis of steel structural system for the Shanxi Olympic Gymnasium，the mechanical behavior and deation of the multiple suspended beam structure and the single- layer beam system were compared． It shows that the multiple suspended beam structure has a better spatial effect and improved mechanical characteristics． The bearing capacity and the stability of the whole structure can be enhanced． Keywordslarge- span steel structure; multiple suspended lattice steel structure; prestressing; finite element analysis; selection analysis of structural system 作者简介 傅学怡 1945 ， 男， 江苏南京人， 研究员。E- mail fu_xue_yi yahoo. com. cn 收稿日期 2011 年 10 月 1 1工程概况 山西体育中心自行车馆、 体育馆、 游泳跳水馆及 其连接平台组成整体建筑， 为甲级体育建筑。该建 筑位于太原市滨河南路西侧， 新晋祠路东侧。总建 筑面积 75 062 m2。东西总长度约 520 m， 南北向长约 120 m， 最大跨度约88 m， 结构最高点标高30. 00 m ［1 ］。 该建筑效果见图 1， 建筑室内效果见图 2。 图 1建筑效果图 Fig． 1Architectural rendering 图 2室内效果图 Fig． 2Interior rendering 借鉴当地类似场地设计、 施工经验， 经多方案综 合经济性比较分析， 本工程基础采用预应力管桩， 桩 直径 500 mm， 桩端持力层分别为第 5 层粉土、 第 6 层 粉、 细砂， 桩端进入持力层深度均为 1. 5 m， 平均有效 桩长分别约为 20 m、 30 m。单桩竖向抗压承载力特 征值 1 700 kN， 竖向抗拔承载力特征值 600 kN。 根据建筑平面布置， 结合结构设计， 下部混凝土 结构在三馆之间的连接体处设置 4 条变形缝， 将结 构划分为 5 个单元， 如图 3 所示。上部钢结构屋盖连 成整体支承于下部 5 个混凝土结构单元。整体结构 三维模型见图 4， 局部放大示意图见图 5。 图 3结构单元划分 Fig． 3Structural meshing 图 4结构三维模型示意图 Fig． 4Diagram of 3D structural model 图 5结构三维模型局部放大示意图 Fig． 5Enlarged diagram of 3D structural model 1. 1下部混凝土结构 利用楼梯、 电梯间布置混凝土剪力墙， 提高结构 的抗侧、 抗扭刚度， 与混凝土框架形成框架- 剪力墙结 构体系。支承上部钢结构的主要结构构件为圆形截 面型钢混凝土柱 直径为 1 300 mm、 900 mm 和圆形 截面钢筋混凝土柱 直径为 600 mm、 800 mm 。各区 竖向构件混凝土强度等级为 C40 ～ C60， 梁板混凝土 强度等级均为 C30。 1. 2上部钢结构构成 上部钢结构整体屋盖按屋盖下覆区域建筑功能 的不同及结构自身体系构成不同， 将整体屋盖划分 为 A ～ G 区， 共 7 个区域， 如图 6 所示。其中 A、 B、 C 区采用多重弦支网壳， 连接平台上方的 D、 E、 F、 G 区 采用直腹杆空腹桁架， 各区域两侧钢结构为鱼腹式 桁架体系。在各区域之间及结构的两端， 利用建筑 幕墙的竖向支撑， 与南、 北两侧落地的钢管柱形成整 个屋盖的竖向支承体系。 图 6屋面钢结构分区示意图 Fig． 6Diagram partition of roof steel structure D 区为单向直腹杆空腹桁架体系， 跨度 27 ～ 42 m， 截面高度 1. 7 m， E、 F、 G 区为双向直腹杆空腹 桁架体系， 最大跨度约 53 m， 截面高度2. 5 m。空腹桁 架上弦、 下弦为矩形钢管， 通过矩形截面直腹杆相连。 2 为提高屋盖系统的抗扭刚度、 协调主次桁架的 变形差异， 在柱顶上端设置没截面宽 800 mm、 高 500 mm的矩形混凝土封边环梁， 同时沿屋面环向及 各区连接部位设置水平支撑， 径向水平支撑延伸至 墙面形成封闭支撑体系， 保证水平荷载的可靠传递， 图 7 为整体结构支撑布置示意图。 图 7整体结构支撑布置示意图 Fig． 7Support layout of whole structure 2上部钢结构体系选型 目前， 张弦梁结构体系被广泛应用于大跨度结 构中 ［2-4 ］， 但其空间整体性较差， 靠近端部的撑杆使 用效率较高， 靠近中部撑杆的使用效率较低， 梁支座 弯矩较大。多重弦支结构体系突破了传统张弦梁体 系， 与张弦梁体系相比， 具有更好的空间作用效应， 改善了传统张弦梁体系受力特性， 具有较好的空间 整体性和稳定性， 同时， 传统张弦梁体系结构构成比 较单一， 多重弦支结构体系有效拓展了弦支结构的 应用范围。 多重弦支网格梁结构由上部单层网格梁和下部 多重弦支结构组成。上部单层网格梁为双向正交正 放连续网格梁， 下部多重弦支由主索、 次索、 竖向撑 杆以及斜拉钢棒构成， 上下两部分结构共同工作形 成整体空间结构。主索锚固在两侧竖向构件顶部， 次索通过两侧斜索与主索第 1 道竖向撑杆顶部相 连， 主索和次索的竖向撑杆交错布置， 如图 8 所示。 通过主索、 次索两端施加预应力， 使所有索张紧、 竖 向撑杆受压、 上部网格梁整体上拱， 改善单层网格梁 受力和变形特性， 提高其承载力和稳定性， 同时， 通 过斜拉钢棒增加结构的空间整体性。 单向张弦梁结构构成如图 9 所示。 3模型建立 在相同设计条件下， 对比多重弦支网格梁和传 统单向张弦梁两种结构体系在不同荷载作用下的力 学性能、 经济指标。 分析软件采用 SAP2000V11。计算单元选取 网 格梁、 竖向构件、 撑杆、 斜拉棒钢采用 FRAME 单元模 拟; 拉索采用 CABLE 单元模拟; 利用 MEMBRANE 单 元施加屋面荷载， 该膜单元的质量、 刚度均退化为 0。 a上部单层网格梁和竖向构件布置 b下部拉索及撑杆布置 c斜拉棒钢布置 d多重弦支网格梁整体结构布置图 图 8多重弦支网格梁结构标准单元构成示意 Fig． 8Standard unit of multiple suspended latticed steel beam structure 模型假定单层网壳内部杆件连续， 与支承柱铰接， 柱 顶周边环梁与柱刚接， 索、 撑杆、 屋面支撑均两端 铰接。 结构跨度 81 m、 矢跨比1/20、 柱网8. 4 m、 基本网 格 8. 1 m 8. 4 m。 3 a上部单层网格梁和竖向构件布置 b下部拉索及撑杆布置 c整体结构布置 图 9单向张弦梁结构标准单元构成示意 Fig． 9Standard unit of single- layer beam structure 附加恒载取 0. 8 kN/m2， 包括金属屋面， 檩条， 天 沟及建筑防水等自重; 附加活荷载取 0. 5 kN/m2。 网格梁、 竖向构件、 撑杆采用钢材 Q345B; 拉索 采用高强钢丝组成的成品索， 高强钢丝抗拉强度不 小于 1 670 MPa， 弹性模量不小于 1. 9 105MPa， 拉索 的质量和性能指标应满足 DG/TJ 08- 0192005建 筑结构用索应用技术规程 的规定; 斜拉棒钢的抗拉 强度不小于 610 MPa， 屈服强度不小于 460 MPa， 钢拉 杆及 其 连 接 零部件 的质 量与 性 能应 满 足 GB/T 35972004船坞钢拉杆 的规定。 多重弦支网格梁结构与单向张弦梁结构的相似 设计原则 1 在恒、 活荷载和重力荷载标准值作用下屋盖 跨中节点最大挠度相同。 2 钢结构构件长细比不大于 L /125。 3 钢结构构件应力指标 杆件最大组合设计应 力不大于 0. 9f f 为钢材设计强度 。 4 拉索应力指标 在最不利荷载组合下， 最小 拉应力大于 0. 05fptk fptk拉索破断强度 ; 最不利荷载 组合下最大拉应力小于 0. 5fptk。 对于弦支结构体系而言， 竖向撑杆长度和位置 是该体系工作性能优劣的两个关键因素。取矢跨比 1/20， 根据撑杆的平面位置， 在尽可能提高拉索工作 效率的前提下， 确定撑杆下节点的坐标。竖向撑杆 下节点坐标见图 10 所示。 满足上述相似设计原则的构件截面见图 11。 4结构体系受力性能对比分析 4. 1模态分析 表 1 为模型分析结果对比， 图 12、 13 分别为多重 弦支网格梁结构和单向张弦梁结构前 3 阶模态， 从 对比结果可以看出， 多重弦支网格梁结构体系竖向 刚度略优于单向张弦梁， 多重弦支网格梁结构竖向 主频率 1. 04 Hz， 单向张弦梁竖向主频率 1. 01 Hz; 但 多重弦支网格梁结构空间整体性较好， 竖向反对称 振型周期 0. 92 s， 对角竖向反对称振型周期 0. 84 s， 而单向张弦梁竖向反对称振动周期1. 25 s， 对角竖向 反对称振型周期 1. 18 s， 主要由多重弦支网格梁斜拉 棒钢和斜索贡献。 a多重弦支网格梁结构 b单向张弦梁结构 图 10竖向撑杆下节点坐标 Fig． 10Nodes coordinates of vertical struts 表 1模态分析结果 Table 1Modal analysis result 结构类型 阶数 周期/ s 振型参与系数 X 向 Y 向 Z 向扭转 多重弦支 网格梁 结构 10. 960. 000 50. 008 40. 260 00. 000 0 20. 920. 046 00. 000 00. 000 30. 041 2 30. 840. 001 10. 000 20. 000 50. 000 7 单向张弦 梁结构 11. 250. 000 00. 012 00. 000 50. 001 0 21. 180. 000 00. 001 90. 000 30. 000 1 30. 990. 000 60. 004 00. 140 00. 000 0 4 a多重弦支网格梁 结构 b单向张弦梁结构 图 11典型剖面构件截面尺寸示意图 Fig． 11Typical dimension of component section 4. 2重力荷载作用下工作性能对比分析 1 传力路径 图 12多重弦支网格梁结构前 3 阶模态 Fig． 12First 3 modes of multiple suspended latticed steel beam 图 13单向张弦梁结构前 3 阶模态 Fig． 13First 3 modes of single- layer beam system 图 14 为多重弦支网格梁结构受力示意图， 图 15 为单向张弦梁结构受力示意图， 由图中可见， 两种结 构类型传力路径差异显著， 多重弦支网格梁结构中 的各榀框架通过主索、 次索两端施加预应力， 使所有 索张紧、 竖向撑杆受压、 网格梁上拱。主次索交错布 置， 网格梁同时受力， 整体上拱。而单向张弦梁结构 的每榀张弦梁则各自施加预加预应力， 张弦梁之间 仅由次网格梁连系。 2 变形 图 16 为两种结构体系拉索张拉完成后的变形， 图 17 为两种结构体系施加附加恒载后的变形， 图中 数据为结构安装完成时的初始位形的相对竖向变形， 正值为向上变形， 负值为向下变形。由图可见， 多重弦 支网格梁结构在上部网格梁结构安装完成后， 对主索 和次索施加预应力， 网格梁呈整体上拱趋势， 网格梁 两端上拱变形较小 约 8 mm ， 跨中上拱变形大 约 44 mm ， 施加屋面附加荷载后， 结构整体下挠， 跨中 挠曲变 形 大 约 160 mm ， 两 端 挠 曲 变 形 小 约 60 mm ， 最大变形相差100 mm。结构整体变形均匀。 传统张弦梁结构在预应力张拉后， 网格梁两端 上拱变形大 即第 1 撑杆处 约 36 mm ， 跨中上拱 变形小 约 10 mm ， 施加屋面附加恒载后， 网格梁两 端仍存在上拱变形 约 16 mm ， 而跨中下挠变形较 大 约 160 mm ， 最大变形相差 180 mm， 结构局部变 形不均匀。 3内力 图 18 为两种结构体系拉索张拉完成后的弯矩 图， 图19 为两种结构体系施加附加恒载后的弯矩图， 由图可见， 多重弦支网格梁结构有效改善了上部网 格梁结构变形及受力性能， 网格梁弯矩在张拉后附 加恒载作用下反弯点在各段杆件端部， 梁呈局部弯 曲变形， 弯矩较小 拉索张拉后约为 108 kNm， 附加 恒荷载施加后约为 120 kNm ， 其中轴向应力为主 应力， 弯曲应力所占比例较小， 应力分布均匀。 5 图 14多重弦支网格梁结构受力示意图 Fig． 14Force equilibrium diagram of multiple suspended latticed steel beam 图 15单向张弦梁结构受力示意图 Fig． 15Force equilibrium diagram of single- layer beam system a多重弦支网格梁结构 b单向张弦梁结构 图 16拉索张拉完成后竖向变形 单位 mm Fig． 16Vertical deation after cable tensioned unit mm 与传统张弦梁结构相比， 张弦梁结构中索的工 作效率由竖向撑杆和主索的夹角确定， 依靠撑杆两 侧索力差值的竖向反力提供上撑作用。靠近端部的 撑杆工作效率较高， 靠近中部的撑杆工作效率较低， 第 1 撑杆处梁弯矩较大 拉索 张拉 完 成后约 为 676 kNm， 施加附加恒载后约为 1 174 kNm ， 杆 件弯曲应力所占比例较大， 单向张弦梁结构呈整体 弯曲， 且随着荷载增加， 第 1 撑杆处弯矩不断增大。 4. 3拉索 拉索布置及相应的截面见图 11， 表 2 为两种结 a多重弦支网格梁结构 b单向张弦梁结构 图 17施加附加恒载后竖向变形 单位 mm Fig． 17Vertical deation considering superimposed dead load unit mm a多重弦支网格梁结构 b单向张弦梁结构 图 18拉索张拉完成后弯矩图 Fig． 18Moment diagram after cable tensioned 构体系拉索预应力和设计参数， 表 3 为不同阶段两 种结构体系拉索内力和应力， 由表可见， 多重弦支网 格梁结构5 253 的主索与单向张弦梁5 253 拉索初始预应力基本相同， 重力荷载作用下索最大 拉应力接近。表明多重弦支网格梁结构中次索与主 索有效形成整体共同受力， 节约拉索的用量。 6 表 2拉索预应力和设计参数 Table 2Design parameters of cable 结构类型索型号索截面面积/mm2索初始张拉应变索初始张拉应力索初始张拉力/kN 多重弦支网格梁结构 主索5 2534 968－818 10 －6 0. 096 fptk796 次索5 911 787－869 10 －6 0. 102 fptk304 单向张弦梁结构5 2534 968－942 10 －6 0. 111 fptk917 表 3拉索内力计算结果 Table 3Internal forces of cable 索型号索型号阶段面积/mm2 Nmax/kNσmax/MPaσmax/fptkNmin/kNσmin/MPaσmin/fptk 多重弦支 网格梁 主索5 253 张拉完成4 968816164. 310. 10713143. 610. 09 重力荷载作用4 9682 008404. 280. 241 368275. 380. 16 次索5 91 张拉完成1 787328183. 400. 1116391. 200. 05 重力荷载作用1 787651364. 470. 22202113. 200. 07 单向张弦梁5 253 张拉完成4 968922185. 590. 11728146. 520. 09 重力荷载作用4 9681 740350. 220. 211 108223. 010. 13 a多重弦支网格梁结构 b单向张弦梁结构 图 19施加附加恒载后弯矩图 Fig． 19Moment diagram considering superimposed dead load a多重弦支网格梁结构 b单向张弦梁结构 图 20重力荷载作用下杆件应力比 Fig． 20Stress ratio of steel frame under design gravity loads 4. 4杆件应力 图 20 为两种结构体系重力荷载 作用下杆件应力比， 由图可见， 多重 弦支网格梁结构主网格梁最大应力 比 0. 8， 次网格梁最大应力比 0. 4; 单 向张 弦 梁 主 网 格 梁 最 大 应 力 比 0. 95， 次网格梁最大应力比 0. 3。最 不利荷载组合下， 二者均满足承载力 要求， 但多重弦支网格梁的应力比分 布较单向张弦梁网格梁均匀， 高应力 的杆件数量较少， 最高的应力水平也 较单向张弦梁网格梁低， 同时次网格 梁受力较单向张弦梁大， 整体受力性 能较好。 4. 5经济性 表 4 为两种结构体系的用钢量， 由图可见， 相比于单向张弦梁结构体 系， 多重弦支体系钢梁用钢量节约 15， 拉索用钢梁节约20， 撑杆用钢 量节约50， 具有较好的经济效益。 7 表 4用钢量对比 Table 4Steel tonnage comparison 构件 用钢量/t 按投影面积/ kgm －2 按展开面积/ kgm －2 多重弦支 网格梁 单向 张弦梁 多重弦支 网格梁 单向 张弦梁 多重弦支 网格梁 单向 张弦梁 钢梁521. 14738. 3060. 7886. 1159. 8684. 80 拉索26. 1737. 283. 054. 353. 014. 28 撑杆17. 7049. 722. 065. 802. 035. 71 5多重弦支网格梁结构节点设计 多重弦支网格梁结构空间节点如图 21 所示， 图 21a 所示节点为主索与撑杆采用索夹具连接， 图 21b 所示为节点次索与撑杆采用耳板销轴连接， 图 21c 所 示节点为撑杆与网格梁采用耳板销轴连接， 图 21d 所示节点为撑杆与钢棒拉杆采用耳板销轴连接， 节 点位置见图 8d。 图 21典型节点示意 Fig． 21Typical nodes 复杂空间节点是关键部位， 对节点区采取扩大 相贯节点区、 节点板加强等措施满足“强节点、 弱构 件” 的设计要求， 确保节点设计安全、 可靠， 节点应力 水平按以下原则控制 1 汇交杆件应力水平较高 σ ＞ 0. 7fy的汇交 节点 节点应力水平 最不利工况下 不超过汇交杆 件最高应力水平的 0. 8 倍。 2 汇交杆件应力水平较低 σ ＜ 0. 7fy的汇交 节点， 满足节点承载力为最不利工况受力的 2. 4 倍。 索连接节点设计准则是 1 在张拉阶段和使用阶段， 节点区全部处于弹 性阶段。 2 在索破断阶段， 节点区部分进入塑性阶段。 6结论 1 多重弦支网格梁结构体系突破了传统张弦 梁体系， 比张弦梁体系具有更好的空间作用效应， 改 善了传统张弦梁体系受力特性， 具有较好的空间整 体性和稳定性。 2 复杂空间结构的节点是关键部位， 通过有限 元分析以及必要的结构构造措施保证节点的安全 性。 参考文献 ［ 1］ 中建 北京 国际设计顾问有限公司． 山西体育中心 体育馆、 游泳馆、 自行车馆超限审查报告［ R］ ． 北京 中建 北京 国际设计顾问有限公司， 2009． ［ 2］ 陆赐麟． 预应力钢结构发展 50 年 2 ［ J］ ． 钢结构， 2002， 17 5 45-47． Lu Cilin． 50 years development ofpre- stressedsteelstructure 2 ［J］ ．Steel Construction， 2002， 17 5 45-47． in Chinese ［ 3］ 孙文波． 广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探 讨［J］ ．建 筑 结 构，2002，32 2 54- 56 ． Sun Bowen． Design and research of large- span beam string structure of Guangzhou International Exhibition Center ［ J］ ． Building Structure，2002，32 2 54- 56． in Chinese ［ 4］ 张毅刚． 张弦结构的十年 一 张弦结构的概念及 平面张弦结构的发展［ J］ ． 工业建筑， 2009，39 10 105- 113． ZhangYigang．Developmentofcable- supported structures in the last ten years 1 concept of cable- supported structures and development of plane cable- supported structures［ J］ ． Industrial Construction， 2009， 39 10 105- 113． in Chinese 8