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第 43 卷 第 10 期 2013 年 5 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 10 May 2013 成都新世纪环球中心 中央游艺区钢结构屋盖设计 吴昌根 1， 邢遵胜2， 徐德号2， 王 泳 1， 魏 捷 1， 刘中华2 1 广州容柏生建筑结构设计事务所，广州 510170; 2 浙江精工钢结构有限公司，绍兴 312030 ［摘要］成都新世纪环球中心中央游艺区钢结构屋盖是目前世界上建成的规模最大的横断面为半圆形的超大跨 度建筑。 通过对比分析， 详细介绍了工程结构体系的选型过程， 分析了结构的受力特点， 并对一些特殊参数的取值 进行说明。在结构设计阶段， 根据杆件的重要性程度设定不同的控制标准， 较好地兼顾了结构的安全性和经济性。 对拱形结构及主次桁架 单层网壳结构体系受力特点进行了分析， 可为类似工程提供参考。 ［关键词］拱形结构; 大跨结构; 大悬挑; 整体稳定; 计算长度系数; 单层网壳 中图分类号TU393. 3文献标识码A 文章编号1002- 848X201310- 0006- 05 Steel roof design for Chengdu New Century Global Center Central Entertainment Area Wu Changgen1，Xing Zunsheng2，Xu Dehao2，Wang Yong 1，Wei Jie1，Liu Zhonghua2 1 RBS Architecture Engineering Design Associates，Guangzhou 510170，China; 2 Zhejiang Jinggong Steel Building Co．，Ltd．，Shaoxing 312030，China AbstractThe steel roof for Chengdu New Century Global Center Central Recreation Area is a super-large span structure with the biggest semicircular section in the world． Through comparative analysis，the selection of the structural system and the stress characteristics were analyzed while some special parameter values were described． Different control criteria were set according to the importance of structural members in order to consider the safety and the cost． The analysis of arch structures and primary-secondary trusses reinforced single layer reticulated shell structure provides references for the similar projects． Keywordsarch structure; large span structure; huge cantilever; overall stability; effective length factor; single layer reticulated shell 作者简介吴昌根， 工程师， Email25950041 qq． com。 1工程概况 图 1新世纪环球中心整体鸟瞰图 成都新世纪环球中心中央游艺区钢结构工程 位于成都市南门外、 新会展中心东侧的城市生态公 园内。钢结构屋盖壳体长为 443. 4m， 结构跨度为 155 ～ 194m， 结构最高点为 98m， 投影面积为 8 万 m2。屋盖横断面为半圆形， 由 18 榀倒三角形拱桁 架组成， 拱桁架弦杆规格均为圆钢管， 落地拱桁架杆 件最大截面为 1 700 40， 材质均为 Q345B， 其中 南、 北两侧分别有 39， 26m 的大悬挑， 东侧游艺区入 口处布置有大跨度悬挑雨棚。屋盖东西两侧底部有 4 ～ 7 层混凝土结构的酒店裙房， 四周为外圈商业、 酒店和写字楼， 各个部分在结构体系上是相互独立 的， 整体鸟瞰图如图 1 所示。 2屋盖结构选型 本工程体量大、 高度高、 跨度大， 且主体结构超 长， 建筑外形独特， 建筑造型为中间顶点高度最高， 向两侧高度逐步降低， 如图 1 所示。经过对比分析， 初步选定结构的主受力构件为沿横向布置的 18 榀 半圆形主拱桁架， 主拱桁架分别布置于图 2 所示的 各条轴线上。由于屋盖结构壳体超长， 设计时根据 建筑的功能布局和结构的几何形态， 设置两条温度 缝， 将屋盖划分为 3 个独立的结构单元， 其分区及温 度缝位置如图 2 所示。 图 2结构设缝及屋盖分区示意图 第 43 卷 第 10 期吴昌根， 等． 成都新世纪环球中心中央游艺区钢结构屋盖设计 对屋盖的结构体系， 重点对比了以下两种方案 以屋盖一为例。方案一如图 3 所示， 为横向主拱 桁架 纵向次桁架 拉索 檩条的结构体系， 主受 力体系为主次桁架。方案二如图 4 所示， 由横向主 拱桁架 纵向次桁架 拉索 单层网壳屋檩体系构 成。两种结构体系各自的优缺点对比见表 1。 图 3方案一 图 4方案二 两种结构体系优缺点对比表 1 方案内容 方案一 优点 屋盖整体刚度较大， 结构构架规整， 传力路径简 单、 明确 缺点 次桁架较密， 加上檩条系统， 屋盖结构杆件数量 多， 对于玻璃屋面而言不美观， 且通透性差 方案二 优点 1单层网壳斜交屋檩体系直接可作为玻璃屋面的 支撑结构， 外形统一， 尺寸相近， 建筑效果较佳;2 屋盖整体刚度大， 单层网壳作为主次桁架间的连 接结构， 主平面内刚度较大， 可以为主次桁架上弦 提供较强的侧向约束， 且屋面荷载可通过网壳斜 向传递给主次桁架， 局部构件破损后， 可通过其他 路径传递荷载， 对主体结构的防连续倒塌有利 缺点 1单层网壳部分平面外刚度差， 需采取措施， 防止 单层网壳平面外失稳;2单层网壳矢跨比 1 /15 ～ 1 /14， 拱壳效应不明显 如表1所述， 方案一为常规的空间屋盖结构形 式， 该结构方案对于本工程这样外形独特、 超大跨度 的半圆形超长结构而言， 没有什么突出的优点， 且次 桁架和屋面檩条系统的杆件过于密集， 视觉效果不 佳。虽然其结构整体刚度较大， 传力简单， 但对于以 游艺休闲为主的建筑而言并不是最佳方案。 方案二结构体系的受力系统为主次桁架 单层 网壳屋檩体系， 其整体承载力高、 刚度大。单层网壳 屋檩体系作为屋盖玻璃的支撑结构， 其网格分布均 匀、 规律， 视觉效果好。 经过对两个方案的整体受力分析和经济性评 估， 并采纳国内知名专家和超限审查咨询的建议， 最 终选定方案二为本工程的结构体系， 如图 5 所示， 屋 盖由横向 18 榀倒三角拱桁架 5 道纵向倒三角次 桁架 主次桁架间单层网壳 拉索构成， 其主拱桁 架编号及桁架平面布置如图 6 所示。 由于屋盖东西两侧柱脚均位于混凝土结构的裙 房范围内， 受空间限制， 除屋盖二○01轴和②轴拱脚 图 5结构整体三维模型轴测图 图 6主拱桁架编号及桁架平面布置图 为三角桁架外， 其余轴线的拱脚分别从封边次桁架 向下转变为平面桁架落地。为增强平面桁架拱脚的 侧向约束， 将两道封边次桁架由倒三角形桁架改为 四边形桁架， 以增强拱脚的稳定性。主次桁架的截 面形式及基本尺寸如图 7 所示。 此外， 从封边桁架至拱脚范围考虑在管桁架弦 杆内灌注自密实混凝土， 以增强弦杆的刚度和受压 承载力， 利用钢管混凝土良好的受力性能来提高屋 盖结构的承载能力和整体稳定性。 图 7主次桁架截面形式及尺寸 屋盖二东侧○01轴与②轴之间 45. 4m 跨范围为 中央游艺区入口， 为增强该范围内结构的整体刚度， 同时为次桁架提供较强的侧向支撑， 增强结构的整 体稳定性， 考虑在①轴处设置 1 榀横向拱形次桁架。 该横向次桁架分别与 5 榀纵向次桁架相连， 见图 6。 3设计荷载及控制指标 3. 1 设计荷载 根据国家现行规范、 规程， 确定钢结构屋盖分析 和设计所采用的参数如下设计基准期为 50 年， 结 7 建筑结构2013 年 构设计使用年限为 50 年， 建筑结构安全等级为一 级。鉴于本工程结构的重要性和复杂程度， 风荷载 和雪荷载按照 100 年一遇来取值。 1 恒 荷 载 玻 璃 屋 面 及 龙 骨 重 量 取 0. 9 kN/m2;马道荷载取 2. 0kN/m施加于主次桁架下弦 杆件上。 2活荷载0. 5kN/m2;根据使用功能考虑吊挂 灯具、 设备等的吊挂荷载。因单层网壳平面外刚度 小， 限定吊挂荷载必须施加在主次桁架上， 且使用过 程中不得在单层网壳上吊挂重物。 3风荷载基本风压 0. 35kN/m2， 地面粗糙度 类别为 B 类。由于周边存在高层建筑， 且体型复 杂， 体型系数按风洞试验结果 ［1］取用， 并与荷载规 范 ［2］中封闭式拱形屋面体型系数对比取较大值。 4温度荷载取使用阶段环境最高和最低温 度与钢结构安装合拢温度的差值， 拟定合拢温度为 20 5℃ ， 升温和降温荷载均取 30℃ 。 5雪荷载基本雪压 0. 15kN/m2， 雪荷载需同 时考虑全跨分布、 半跨分布等不利情况。 6地震作用依据抗震规范 ［3］， 并考虑场地地 震安全性评价报告 ［4］的结果， 选取地震作用的基本 参数。本工程抗震设防烈度为 7 度， 设计地震分组 为第三组， 设计基本地震加速度值为 0. 10g， 场地类 别为Ⅱ类。 如图 8 所示， 规范谱的水平地震影响系数最大 值 αmax 0. 105 5， 小于安评谱的 0. 129 5， 安评谱的 特征周期 Tg 0. 40s， 规范谱为 0. 45s， 使得规范反 应谱的衰减段0. 45 ～ 2. 25s被安评谱包络。因此， 用安评谱计算的地震作用要大于规范谱计算的地震 作用， 在分析时取安评谱进行计算。 图 8规范与安评反应谱比较阻尼比 0. 02 3. 2 控制指标 钢屋盖抗震性能按表 2 进行计算分析。进行结 构构件的截面设计时， 应根据构件的部位、 重要性和 局部杆件失效后对结构整体的影响， 采取分级控制 的原则， 对不同位置、 不同类型的构件分别设定安全 钢结构屋盖抗震性能、 分析方法及控制标准表 2 抗震 设防水准 第一水准 小震 第二水准 中震 第三水准 大震 抗震性能不破坏不破坏不倒塌 地震影响 系数 0. 080. 230. 50 水平地震 加速度 /gal 35100220 分析方法 反应谱法为主， 时程法补充计算 反应谱法为主， 时程法补充计算 时程法计算 控制标准按弹性设计 主桁架按 弹性设计 主桁架不屈服， 支撑弹性 杆件应力比控制指标表 3 分析工况 主桁架次桁架 弦杆腹杆弦杆腹杆 网壳 静力分析0. 70. 750. 750. 80. 8 多遇地震0. 750. 80. 80. 850. 85 中震弹性0. 90. 91. 01. 01. 0 罕遇地震1. 01. 0允许屈服允许屈服允许屈服 性指标。杆件应力比控制指标见表 3。 4单榀拱桁架受力特点分析 本工程的主受力构件为横向拱桁架， 其形状为 半圆形， 与理想拱的受力特点区别较大。选取屋盖 二位于○03轴和④轴上的边桁架 ZHJ- 7 为例， 采用 SAP2000 软件分析其在恒荷载作用下的受力特点， 计算模型如图 9 所示。 图 9边桁架 ZHJ- 7 计算模型 SAP2000 输出的桁架内力云图如图 10， 11 所 示。在恒荷载作用下， 拱桁架弦杆的受力情况规律 性变化， 拱桁架上弦杆在拱顶部受压， 向两侧压力逐 渐变小， 至腰部变为受拉， 但拉力较小， 至拱脚则转 变为受压， 且上弦杆拱脚压力最大;拱桁架下弦杆在 拱顶部受拉， 向两侧拉力逐渐变小， 至腰部变为受 压， 且压力较大， 至拱脚则转变为受拉， 且下弦杆拱 脚拉力最大。拱桁架上部弯矩均较小， 而拱脚位置 的弯矩比较大。 通过以上受力特点分析可以看出， 下弦杆腰部、 下弦杆拱脚、 上弦杆拱脚为结构受力较大的 3 个部 位。恒荷载作用下拱脚处弦杆受力最大， 最大拉力 为 5 080kN， 最大压力为 12 000kN， 主平面内最大弯 矩为6 550kN m。 针对这 3 个重要部位， 在设计时下 8 第 43 卷 第 10 期吴昌根， 等． 成都新世纪环球中心中央游艺区钢结构屋盖设计 图 10轴力云图 图 11主平面内弯矩云图 弦杆腰部和下弦受拉部位按圆钢管、 拱脚按钢管混 凝土杆件进行复核验算。 5非严格对称拉索的设置 主受力结构为横向拱桁架， 拱桁架之间以次桁 架和单层网壳相连， 这种结构体系的横向拱桁架 平面内方向 刚度很大， 但纵向拱桁架平面外方 向在封边桁架以下刚度偏弱。因此考虑沿结构的 纵向设置预应力拉索， 在每榀拱桁架下弦杆与封边 次桁架下弦杆相交处， 向平面外方向分别设置两根 拉索， 拉索与地面基础相连， 以增强结构沿横向的抗 侧刚度。 由于钢结构屋盖东西两侧均有多层混凝土框 架， 拱脚在混凝土建筑顶部附近由倒三角形桁架过 渡为平面桁架， 并沿混凝土结构留出的空间伸入基 础承台。东西两侧的混凝土建筑层数不同、 顶标高 不一样， 使得拱桁架两端由倒三角桁架转变为平面 桁架的位置高度也不相同。基于上述条件， 拱桁架 两侧的拉索上节点标高不同， 拉索长度不同， 即东西 两侧拉索的布置不对称， 如图 12 所示。 在○09轴以南、 ⑩轴以北及○01～ ②轴之间， 由于 建筑空间的要求， 不能设置拉索， 导致 3 块屋面设置 的拉索在沿南北轴线上的数量不同。 上述拉索布置及拉索数量方面的不对称， 在选 定拉索规格及施加拉索预拉力时， 也就有所区别。 以屋盖一为例， 根据计算， 预拉力与恒荷载在拱下部 产生的轴力， 在上弦杆为反向叠加， 在下弦杆则基本 为正向叠加除少数柱脚位置若干节间也是反向叠 加外， 即预应力对外侧构件有利， 对内侧大部分构 件不利， 同时考虑结构整体刚度的需要， 初始预拉力 应适中。经过反复计算对比分析， 选定各部位拉索 图 12典型拱桁架及拉索布置示意图 规格、 施加的预拉力及各工况下拉索设计索力范围 如表 4 所示。 拉索规格、 初始预拉力及设计索力表 4 区域位置 规格 1670 级 初始预拉力 /kN设计索力 /kN 南侧北侧最大最小 屋盖一 高侧5 3011 6201 2101 345850 低侧5 91530450565450 屋盖二 高侧5 3371 0601 060880770 低侧5 109340340400370 屋盖三 高侧5 3011 2101 6201 240910 低侧5 91450530560445 上述拉索的设置可以为结构在拱平面外方向提 供较大侧向刚度， 同时可以为拱腰部提供平面内的 侧向约束， 减小拱桁架在竖向荷载作用下腰部向外 拱、 顶端向下挠的变形值。 6构件计算长度的确定 6. 1 拱脚平面桁架的计算长度 钢屋盖东西两侧， 除○01轴和②轴外， 拱脚处均 为平面桁架， 平面桁架的长度从 24. 25 ～ 42. 75m 不 等， 且平面桁架间仅在顶端位置与封边次桁架相连， 中间没有任何侧向连接构件。因此必须对平面桁架 进行专门研究， 确定合适的计算长度系数。 以屋盖二③轴处桁架东侧柱脚为例， 其平面 桁架段共有 6 个节间。根据钢结构设计规范 GB 500172003［5］附录 D， 选取落地平面桁架 拱脚及其顶端封边次桁架进行计算， 得平面桁架 的整体计算长度系数为 0. 718 5， 其弦杆每个节间 的计算长度系数为 4. 26;不考虑平面桁架顶端次 桁架的刚度贡献时， 根据屈曲分析 ［6］计算结果， 平 面桁架每个节间弦杆的计算长度系数为 2. 2;考虑 平面桁架顶端次桁架的刚度贡献时， 根据屈曲分 析 ［6］计算结果， 平面桁架每个节间弦杆的计算长 度系数为 3. 05。 9 建筑结构2013 年 由上述方法的计算结果， 拱脚平面桁架段单根 弦杆的计算长度系数均小于 6， 即平面桁架的整体 计算长度系数小于 1. 0。考虑到结构体型较大， 不 可控因素较多， 故取平面桁架部分的整体计算长度 系数为 1. 0， 平面桁架范围内每根弦杆的计算长度 取该平面桁架弦杆的总长。 6. 2 主拱桁架下弦杆的计算长度 由于结构纵向次桁架的间距较大， 结构上弦 弧面内有单层网壳结构相连， 网壳可以为主拱桁 架上弦杆提供较强的侧向支撑， 但下弦杆仅与次 桁架相连。虽然主拱桁架为倒三角形， 每个下弦 点均有 4 根空间斜腹杆， 但斜腹杆规格较小且长 度较长， 所提供的侧向刚度较弱， 故计算分析时， 根据单榀拱桁架的稳定分析， 取拱桁架下弦杆计 算长度系数为 2. 0。 7屋盖一、 三悬挑端及屋盖斜杆传力特性分析 屋盖一、 三端部存在大跨度悬挑， 悬挑长度分别 为 39m 和 26m。悬挑端及其邻近一跨范围内的次 桁架加密， 作为悬挑屋盖的主受力构件。悬挑端布 置两榀横向拱形次桁架与纵向次桁架相连， 并在桁 架之间布置单层网壳， 具体布置如图 5 所示。 纵、 横向桁架间的单层网壳改变了常规纵、 横桁 架的传力途径， 屋面荷载通过单层网壳的斜杆直接 传递给主拱桁架， 不仅增强了结构的整体刚度， 而且 为屋面荷载提供了多路径的传递路线。 斜杆的传力途径在本结构局部构件失效分析中 得到了体现。悬挑端纵向悬挑桁架的上、 下弦杆破 坏， 或主拱桁架局部弦杆破坏时， 该杆件所受的力可 以通过四周密布的单层网壳向其他杆件传递。在拱 图 13屋面荷载传递路线简图 图 14局部拱脚失效后屋面荷载传递路线简图 脚上、 下弦杆同时失效时， 屋面荷载可以通过网壳斜 杆传递给其他拱脚， 主体结构不会发生连续性倒塌。 以屋盖一为例说明屋盖结构在正常受力和拱脚失效 时构件的传力特性箭头方向为力的传递方向。 图 13 为屋盖一正常受力时荷载的传递路线。图 14 以○07轴处 ZHJ- 3 拱脚弦杆破损失效退出工作为例， 说明柱脚破损后荷载的传递路线。 由图 13、 图 14 可知， 屋盖一悬挑端的荷载通过 次桁架及网壳直接传递给○09轴的 ZHJ- 1， 而悬挑长 度较大， 其所承受的荷载也较大， 造成○09轴 ZHJ- 1 受力较大， 拱脚部位所产生的反力是其他部位的 2 ～ 3 倍。同理， 屋盖三⑩轴上的拱桁架 ZHJ- 1a 位于 拱脚处产生的反力也较大， 设计中对以上受力较大 的部位有针对性地进行了加强， 增大了安全储备水 平， 增强了防连续倒塌的能力。 8结语 大跨度、 异形、 体系复杂的空间结构， 在设计阶 段应根据杆件的部位及重要性的不同， 采取分级控 制的原则。对重要性较高的构件和结构的薄弱环 节， 应采取较高的设计控制标准， 以提高相应部分的 安全储备， 增强整个结构的安全度;对重要性较低， 或失效后对结构整体影响较小的构件， 采取相对较 低的设 计 控 制 标 准， 以 降 低 结 构 用 钢 量， 兼 顾 经 济性。 介绍了主次桁架 单层网壳结构的荷载传递 方面的特点， 计算结果显示， 单层网壳对主受力结 构的作用较明显， 不但可以将部分屋盖结构所受 的荷载直接传递给主拱桁架， 而且可以在结构遭 受意外荷载导致部分杆件失效时， 将屋面荷载通 过其他路径传递给主结构， 从而增强了结构的防 连续倒塌性能。 参考文献 ［1］ 建研科技股份有限公司． 成都天堂岛海洋乐园风洞试 验研究报告［R］． 2009． ［2］ GB 500092001 建筑结构荷载规范［S］． 2006 年版． 北京中国建筑工业出版社， 2006． ［3］ GB 500112001 建筑抗震设计规范［S］． 2008 年版． 北京中国建筑工业出版社， 2008． ［4］ 黑龙江震工科技有限公司． 天堂岛海洋乐园、 新天府 广场大剧院艺术馆项目工程场地地震安全性评价报 告［R］． 2009． ［5］ GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京中国计划 出版社， 2003． ［6］ 童根树， 饶芝英． 一个奇特的除尘器钢支架的屈曲问 题［J］． 建筑钢结构进展， 2007， 9542- 46． 01