西安国际展览中心钢结构设计.pdf

西安国际展览中心钢结构设计 文双玲 侯兆欣 杨建平 王 云 张卫航 （冶金工业部建筑研究总院北京 “ “ “ ） 曾凡生杨 琦王世斌 （中国建筑西北设计研究院西安 “ “ “ ） ［提要］ 西安国际展览中心钢结构采用直接焊接的钢管结构， 包括带斜拉索的大跨度空间桁架、 装饰网壳和 门厅抗风桁架等几部分。各楼层的梁板柱 （包括悬挂斜拉索的立柱） 为钢筋混凝土结构。由于结构形式复杂， 结构分析采用整体空间模型， 并采用了较为合理的相贯节点和销钉连接形式， 可供其他工程参考。 ［关键词］ 展览建筑钢管空间桁架 7 * ’ *，/ 7 - 7- 5 ’ , , , 5 6 7 * 0 5 ’ . , 2 3 ’, 2 3 3 0 4 , ,/ 7, 3 * 1 - 3 0 * ,， 7 *1 * - 5 3 * 0 3 - * 1, 7 * 0 0 3 ’ 10 5 / ’ 1 * , , ’ . 4 , ,* - AB 7 *- 5 C 2 0 - 3 * 1, 4 - 4 * ’ - 5 2 5 3 * ,3 * ’ 6 5 - * 1- 5 ’ - * *, 4 - 4 *3 ’ 13, 2 3 3 0 , * * 0 , 4 - 4 */ 73 , 3 * 1 - 3 0 * , 4 - 4 * A B 7 *D * 5 7 *2 5 E * - 1 * , . ’ , - 5 5 1 ’ 3 ’ . 7 * ’ * ’ 3 0 6 5 - * , 5 6 7 *- 5 C ’ * 1, 4 - 4 * ’ 5 , 1 * 6 5 C 3 5 ’ , A 7 5 ’ 4 0 1 ’ . 一、 工程简介 西安国 际 展 览 中 心 位 于 西 安 市 南 郊， 建 筑 面 积 I “J “ “ C K。 建筑外形新颖、 独特， 迎面观看象展翅欲飞 的鲲鹏， 俯瞰象刚刚启动的航船， 寓意西安的经济正在 腾飞和发展 （图） 。 该建筑座东朝西， 南北长 J L C， 东西宽 K C。 屋盖钢结构为带斜拉索的空间桁架。下部结构采用钢 筋混凝土框架M剪力墙结构。东西两面为对称布置的 钢网壳， 其作用是挡雨和装饰， 它的一边与屋盖边缘平 滑相连融为一体， 西立面的外墙为玻璃幕墙， 其墙架也 为钢结构。这三部分钢结构都是采用无节点板、 无球 的直接焊接的钢管结构。钢结构用量达K“ “ “ 。 图建设中的西安国际展览中心 二、 结构布置和构件外形 为体现钢结构简洁、 明快的特点， 展示钢结构的刚 劲有力， 该建筑的钢构件全部外露。钢构件截面选用 无缝钢管， 节点处没有采用球节点和节点板连接， 而是 采用最简洁的直接焊接， 以满足建筑造型和内部视觉 效果的要求。结构平面布置和构件剖面见图K， 。 L屋盖空间桁架 图K钢结构平面布置 屋盖结构是由 “榀中间桁架、 K “榀边桁架、 拉索 和支撑系统组成。桁架共有 “排， 每排有两榀边桁架 和一榀中间桁架， 柱间距为H C。其中， 中间排支撑 桁架的混凝土柱出屋面， 用拉索将桁架拉起， 成为斜拉 索空间桁架结构 （图） 。中间桁架跨度为 L C； 边 桁架跨度为 C， 悬挑 K C， 靠近中间柱的一端桁架为 上弦支承， 另一端为下弦支承。桁架的截面为倒三角 形 （见 图I） ， 上 下 弦 杆 均 选 用 K NO I， 腹 杆 选 用 N HO， 上弦平面杆件为 N HO和 HOJ。桁架 H 第 卷 第J期建筑结构 K “ “ 年J月 的用钢量为 “ ／ 。拉索采用’ * , -高强钢丝 束， 每束为’ . /。 图.屋盖桁架的剖面 中间桁架的平面形状为梭形， 两端最窄处上弦轴 线宽度为’ 0 ， 中间最宽处轴线宽度为. 0 ； 由在 图1桁架截面图 同一垂线上从两个圆心出 发半径不同的圆弧形成桁 架的 上 下 弦， 外 形 犹 如 月 牙， 两端小， 中间大。边桁 架的 平 面 形 状 为 跨 内 由 两条间距’ 0 的平行上 弦形成， 悬挑部分由’ 0 宽缩减为* 0 “ ； 立面形式 为 跨内由两条间距’ 0 的平行圆弧线形成上下 弦， 悬挑部分下弦翘起， 端头高度变为* 0 “ 。 0装饰网壳 装饰网壳位于建筑物的东西两端， 壳面的形成方 式为 通过屋面弧线绕同一立面上的一条水平线旋转 / * 2形成曲面， 再用三个水平圆柱面去截此曲面剩下的 部分即为装饰壳的上表面。 由于装饰壳的形成过程很复杂， 不能用简单的公 式来描述这个壳面， 同时实际的网壳还须有一定的厚 度， 以保证其具有足够的承载能力。根据造型的要求， 结构构件的布置呈枝叶发射状， 为了方便施工， 尽可能 采用简单的平面构件， 综合考虑以上因素， 最终采用如 图所示的平面布置。每个壳体除与屋架相连的一边 外， 其余各边为空间桁架， 内部是平面桁架， 在它们之 间是环向连系桁架。空间桁架和平面桁架的上端与屋 盖端桁架上弦杆相连， 下端支在混凝土基础上。 装饰壳上下弦杆为 / /3’ *， 腹杆为’ /3。 连系桁架的上弦为’ /3， 其余为“ /3。 . 0抗风桁架 抗风桁架位于建筑的主立面 （西立面） 的中部， 屋 面中间桁架的下方。由于主立面是人流最大的主入 口， 建筑要求除设置一个 跨的大门构件外， 其余 构件从正面看， 只能有竖向线条和两条横线条 （图） 。 抗风桁架由门式空间桁架、 水平桁架和组合式立柱组 成， 组合立柱之间的连接杆件为连板形式。 门式空间桁架的立柱和横梁截面为四边形， 四角 的圆管采用. ’3’ ， 其余为 / /3’ *。组合立柱的 两侧立柱为. ’3’ 无缝钢管， 立柱之间用 * *3 ’ * *3’ *的板形成的矩形缀件连接， 垂直桁架之间用 水平桁架相连， 上端与屋面中间空间桁架的上弦相连， 下端与钢筋混凝土基础相连。 图抗风桁架的立面布置 1 0支撑体系 钢桁架屋盖结构体系， 由于建筑美观的要求， 其支 撑体系不能按常规设计。由于屋面板采用双层金属板 中间夹檩条的构造， 隐蔽的檩条采用. * *3 * *矩形 钢管， 檩距仅为’ 0 ， 其目的就是利用檩条4屋面板 的刚度， 使其成为桁架平面支撑的一部分。因此屋面 的横向水平支撑设置较少， 且只在桁架上弦有。纵向 支撑充分利用混凝土结构的支撑体系， 只在两边部分 钢桁架之间设置倒三角形的空间桁架支撑， 其余设为 上弦水平支撑， 水平力通过支撑体系传递给下部混凝 土结构。 三、 结构分析 钢结构的计算是将下部混凝土框4剪结构连同钢 结构一起考虑， 采用了能反映实际受力情况的三维空 间模型来分析。 ’ 0计算模型 计算模型假定 ’） 混凝土、 钢结构 和钢拉索协调工作； ） 混凝土结构简化为空间刚接框 架， 柱脚刚接于室内地坪处 （5* 0 * * *地面） ； .） 屋盖桁 架及装饰壳端部与混凝土的连接节点为固定铰支座； 1） 钢结构构件均为理想桁架， 且桁架与桁架之间的连 接也为铰接。根据以上假设， 采用大型有限元通用程 序6 7 , / .进行建模和内力计算。 0结构荷载 结构计算的荷载有恒载、 活荷载、 风荷载和温度效应。恒载 除钢结构杆件的自重由程 序自动计入外， 屋面桁架屋面恒载取* 0 8／ ， 装饰 壳屋面恒载取* 0 8／ 。活荷载 屋盖的活荷载取 *标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 “ ／ ’。风荷载 基本风压力取 “ ／ ’。风洞 试验结果表明 由于结构外形复杂， 建筑的体型系数变 化大且均为吸力， 最小的系数为 “ * ， 最大的系数为 “ , （在挑檐边端的顶面） ； 在仔细分析试验数据后， 得出本工程的体型系数区域计算图， 其中以边跨挑檐 区的风荷载为最大； 在计算该区屋盖桁架时， 风压 （吸 力） 设计值为* “ ／ ’， 在计算该区檩条时风压 （吸 力） 设计值取* “ - ／ ’。温度效应 由于工程结构跨 度大， 外露结构多， 当地冬夏季温差大， 温度对结构的 影响较大， 故结构分析时尚应考虑温度效应。当计算 温度应力时， 结构体系各部分的温度按表*取值， 分别 计算结构在最大正、 负温差下的受力情况。荷载组合 * “ ’恒载.* “ ,活载；“* “ ’恒载.* “ ,风荷载； * “ ’恒载. “ / 0* “ , （活载.风荷载） ；* “ ’恒载. * “ ,活载.正温差；* “ ’恒载.* “ ,活载.负温差。 计算温度效应时各部位结构的温度取值 （1）表 中、 边跨 桁架 端壳 外露 钢索 室内混凝 土梁板柱 出屋面混 凝土梁柱 夏季最高温度 , , ’ , 冬季最低温度 ’ * “结果分析 在各种荷载组合下， 屋盖桁架杆件 和索的内力及变位最大计算值为 （*） 在恒.活.负温差时， 拉索拉力最大， 中间索 最大为 / ， 边跨索最大为 * ， 分别为拉索破断 力的* ,2， * ’2。 （’） 在恒.活.正温差时， 桁架支座的水平推力最 大， 中 间 桁 架 的 最 大 推 力 为*/ 3 ， 边 桁 架 的 为 , ， 该力通过支座间的混凝土连梁 （剪力墙） 传递。 （） 在恒.活.正温差时， 桁架中的杆件内力较 大。中间桁架上弦杆轴向最大压力为 * ， 下弦大 多处于受压状态， 压力较上弦要小； 腹杆中的最大拉力 为 ， 最大压力为, , ， 腹杆应力高于弦杆。边 桁架上弦轴向最大压力为’ ， 边支座的上弦杆受 拉， 最大为 * / ； 腹杆中的最大拉力为* - ， 最大 压力为’ * 。桁架上弦杆除受轴向应力外， 尚受到 屋面檩条传来的节间荷载引起的弯曲应力作用， 以及 相贯焊接节点中心不交汇于一点的次应力的影响。对 最不利节点的有限元分析表明， 节点安全可靠。 （,） 在恒.活.正温差时， 中间桁架跨中挠度为 3 “ ， 边桁架的跨中挠度为’ ’ “ ， 边桁架悬挑 端的挠度较大， 达到* - “ - ， 但均在允许限值内。 分析各种荷载组合的计算数据， 得出以下结论 *） 采用空间钢管桁架， 可以使得结构跨度大， 整体性好， 而且节省钢材； 采用拱形桁架， 则杆件内力均匀， 挠度 减小。’） 空间桁架增加斜拉索， 可减小杆件内力， 明显 减小拱脚的推力， 有利于下部混凝土结构的设计， 使结 构跨度做得更大， 外形更加美观。） 不考虑温差影响 时， 恒载和活载的组合起控制作用。钢构件按此组合 选定最终截面后， 屋面中间桁架的最大竖向挠度为 3 “ 3 ， 装饰壳的最大竖向挠度为’ 3 “ , ’ 。构件 的变形和截面应力等均满足规范要求。,） 当考虑温差 效应时， 温度变化对结构的受力产生一定影响。负温 差 （冬季） 作用下， 桁架内力减小， 拉索拉力增大； 正温 差 （夏季） 作用下， 桁架内力增大， 拉索拉力减小。当屋 面在风吸力和正温差同时作用下， 拉索会退出工作。 在第，种荷载组合下， 屋面和装饰壳的钢结构仍是 安全可靠的。 四、 节点设计 经过计算分析和确定杆件截面后， 节点的构造处 理成为关键。根据本工程的特点， 钢结构的节点做法 主要有相贯节点和销钉连接两种形式， 钢结构支座与 混凝土的连接采用常见的预埋螺栓连接。 * “直接焊接的相贯节点 在杆件内部， 绝大部分节点采用直接焊接的相贯 节点， 典型的节点形式如图3所示。它具有构造简单、 简洁明快的特点， 但承载力较低， 往往低于杆件的强 度， 因此要专门进行节点强度验算， 以保证结构安全。 在制作上， 支管端头相贯线为一空间曲线， 为保证焊接 质量， 要求采用自动相贯线切割机或机床加工。 图3典型的直接焊接相贯节点 ’ “销钉连接 屋架与支座、 装饰壳与 屋架、 支座的连接、 抗风桁 架与屋架、 钢筋混凝土柱的 连接、 拉索与屋架的连接均 采用销钉连接 （图-， /） 。采 用销钉连接使得结构安装 比较方便， 同时保证结构计 算简图与实际情况一致， 更重要的是外形美观， 成为造 型中的一个组成部分。 （*） 屋架上弦和混凝土柱的连接构造中间桁架 的两端支座和边桁架的一端 （靠近中间桁架一端） 支座 在计算中采用的是铰支座， 桁架上弦两个端杆通过支 座将水平力和竖向力传递给混凝土结构。因为混凝土 圆柱 的 外 径 为* “ * ， 而 两 个 上 弦 的 轴 线 间 距 为 * “ - ， 并且建筑室内效果不允许任何结构构件超出 （下转第’ ,页） *’ 屋面支撑主要用来保证结构的整体刚度， 与柱间 支撑配合使用以形成一个空间受力体系， 来承担垂直 刚架方向的水平荷载。本设计采用 “张紧的圆钢拉 条组成的交叉系杆。 节点构造 结构在边跨梁柱、 柱脚及一层承台梁柱处采用刚 性连接， 其它节点均采用铰接。图为边柱的刚性柱 脚构造， 以四个锚栓形成的力矩来抵抗柱底弯矩； 图 为中间各柱的铰接柱脚构造， 只在工字钢柱的强轴轴 线上布置两个仅提供轴向力的锚栓； 图为边跨梁柱 刚接节点处焊接连接示意图， 在主要的受拉压部位均 采用了坡口对接焊缝； 图’给出了两种 （柱贯通和柱不 贯通） 一层承台处梁柱刚性连接形式， 梁的上下翼缘与 柱采用坡口对焊， 以传递弯矩， 梁腹板与柱采用角焊缝 连接， 以传递剪力。 图刚接柱脚 图铰接柱脚 图边跨梁柱刚性连接 图’一层承台梁柱连接 五、 设计体会 本建筑在结构形式上采用了轻型钢结构门式 刚架， 充分实现了业主提出的整体外形美观大方、 形成 大面积使用空间、 缩短结构施工周期等要求。同时尽 量节约成本， 结构用钢量仅 “ *／ 。整体工程造价 与混凝土结构大体相当， 但综合经济效益要好得多。 根据防火等级及钢材耐火极限， 本建筑中所有 钢构件均按防火规范要求喷涂防火涂料。由于钢材的 耐火极限比较低， 防火涂料的用量较大， 相应的造价不 可低估， 所以钢结构的耐火研究及高效低成本耐火涂 料的开发是亟待解决的问题。 我国现行规范对层及以上层数的轻型刚架 的结构设计还没有明确规定。其中特别需要研究的问 题包括如何确定梁柱的计算长度， 刚架平面外的支撑 设计等。 参考文献 冷弯薄壁型钢结构技术规程 （, - . // 0）1 吴惠弼1框架柱的计算长度1钢结构研究论文报告选集， 全国钢 结构标准技术委员会， 2 / 1 门式刚架轻型房屋钢结构设计规程 （3 4 3 5 “ 2 /）1 钢结构设计规范 （, - . 0/ /）1 陈绍蕃1钢结构设计原理1科学出版社， 2 2 /1 （上接第 页） 柱宽范围， 故混凝土圆柱设置的混凝土支承牛腿必须 在柱两侧。同时， 为便于传递桁架的水平力， 牛腿的标 高低于混凝土柱间的混凝土连梁上表面。 图0典型的销钉连接 图/壳桁架下端与 混凝土基础的连接 受到混凝土柱间双向连梁的连接节点构造限制， 牛腿的宽度必须控制在 “ 以内， 支座连接节点被 控制在此范围内， 致使屋盖桁架的两个上弦杆件分别 支承在柱两侧牛腿上。节点设计不仅要满足计算假 定， 也要考虑便于构件制作和施工安装， 研究确定将桁 架杆件用销钉与支座连接 （图0） ， 而支座底板用螺栓 固定于混凝土牛腿上， 从而实现不可移动铰接， 能有效 传递桁架的水平力和竖向力。 （） 装饰壳与混凝土基础的连接构造装饰壳的 构件布置见图。根据建筑效果的要求， 构件的布置 呈枝叶发射状， 壳下端构件比较集中， 支承在混凝土基 础上。桁架下端与混凝土基础的连接节点均采用销钉 连接方式， 如图/所示。 五、 结束语 钢结构工程是西安国际展览中心整个工程的主要 组成部分， 其设计难度比较大。西安国际展览中心的 钢结构设计， 在实现了建筑总体效果的前提下， 从钢结 构外观形式和内部节点处理上， 充分体现出大跨度钢 结构自身简洁、 明快的特点。该工程顺利制作安装并 成功投入使用。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载