国家大剧院屋面系统承载性能试验研究

1、国家大剧院屋面系统承载性能试验研究程 明  石永久  王元清罗 忆  徐 慷（1清华大学建筑玻璃与金属结构研究所  北京 100084）  （晶艺玻璃工程有限公司  珠海 519015） 摘要：国家大剧院的屋面系统包括结构层、防水层和装饰层。防水屋面板采用Kalzip铝合金板，装饰层通过连接件固定于屋面板的板肋上。外部荷载主要由屋面板承担，进而传递到檩条上。本文通过试验研究了屋面系统在各种主要荷载作用下的承载能力，试验的结果为工程设计提供了依据。关键词：国家大剧院；屋面系统；荷载；位移1.工程概况  &#

2、160; 国家大剧院的屋面系统是采用了Kalzip板作为防水层的新型屋面系统（图1）。图1  国家大剧院     国家大剧院屋面系统可分为结构层，防水层和装饰层（图2）。结构层由横向和纵向方通檩条组成，固定于主钢结构上；防水层由Kalzip铝合金板组成，通过锁边固定于T码上，T码固定于檩条上；装饰层通过连接件固定于Kalzip板的板肋上。图2  屋面系统2. 试验目的    为配合工程的设计与施工，验证这种新型屋面系统的承载性能和可靠性，选取了屋面板的代表性单元进行等比例模型加载试验。在试验中观

3、测屋面系统在常见荷载下的荷载-位移关系，为工程设计提供依据。 3. 试验设备及测试内容    该试验分为6组进行，编号为A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、B-1，分别测量不同荷载下国家大剧院屋面系统的承载力性能（表1）。表1  测试内容试验编号荷载类型连接件位置连接件类型设计荷载（kN）A-1风吸力大1.0A-2风吸力小1.0A-3清洗车重力产生的水平力板跨中大2.0A-4清洗车重力产生的水平力T码上大2.0A-5上人荷载小2.0B-1水平力作用下屋面板固定点的螺栓孔滑移3.0    A-1A-4及

4、B-1采用手动轱辘加载，A-5用油压千斤顶加载，用测力计和位移计分别测量荷载和位移，计算机采集数据。图3和图4分别显示了A-1和A-5试验的加载示意图，其他四个试验设备与A-1相同，只是加载方向和测点布置不同。图5、图6、图7显示了A-1、A-2、A-3、A-4四组试验的荷载布置和测点布置。图3  A-1加载示意图图4  A-5加载示意图图图5  A-1A-4试验荷载布置图（俯视图）    注：A-1与A-2试验只对一个连接件加载；A-3与A-4试验通过在连接件上固定夹具（图6）与钢管，同时对两个连接件加载，以便布置更多的测点。图6&

5、#160; A-1A-4试验荷载布置图（侧视图）    注：左面连接件虚线表示A-1，实线表示A-2，为了表达方便将两个连接件画在一起。该图中G（1kN）表示施加在一个连接件上的荷载，而图5中2G（2kN）表示施加在两个连接件的荷载。图7  A-1A-4试验测点布置图    注：连接件1对应图5中A-3与A-4试验中偏上的连接件。连接件2对应图5中A-3与A-4试验中偏下的连接件以及A-1与A-2试验的连接件。A-1A-4试验分别在四块板上独立进行。A-3和A-4试验用到全部4个测点，A-1和A-2试验只用到图7中右图的测点

6、1。图8  A-5试验荷载布置图（侧视图）     图8为A-5试验的加载示意图，其中的测点只用图7中右图的测点1。图9  B-1试验荷载布置图（侧视图） 图10  B-1试验测点布置图     图9、图10显示了B-1试验的荷载布置和测点布置。位移计5和6用来测量螺栓孔的位移，位移计7用来测量底座的位移。 4.  试验结果及分析    6组试验选取了屋面板的代表性单元进行测试。试验结果见表2。  

7、0; 由于手动轱辘和油压千斤顶不能很好的控制荷载大小，所以在每个加载循环中荷载的步距都不统一；但是各个加载循环的荷载-位移曲线还是基本一致的。                                      &

8、#160;                           表2  测试结果试验编号设计荷载（kN）试验最大重复荷载（kN）设计荷载下的测试结果A-11.01.5线弹性；最大位移（板面垂直位移）2.0mmA-21.01.5线弹性；最大位移（板面垂直位移）3.5mmA-32.02.5线弹性；最大位移（夹具顶点水平位移）2.5m

9、mA-42.02.3线弹性；最大位移（夹具顶点水平位移）2.8mmA-52.02.0线弹性；最大位移（板面垂直位移）9.0mmB-13.08.0线弹性；最大位移（螺栓孔滑移）0.8mm 4.1 A-1、A-2试验结果分析    A-1和A-2测量屋面系统在风吸力下的荷载-位移关系。A-2的第一个加载阶段与后面的加载循环差异很大，这是因为第1次加载时连接件会产生滑移，这种滑移通过一次加载就可以消除。在后面几组试验中，可能会出现类似的情况，原因是一样，以后就不再重复了。以后对各组试验的数据，只讨论第1次加载循环以外的数据据。  

10、                                                  

11、     图11  试验A-1、A-2荷载位移曲线     对A-1、A-2试验，当荷载达到1.4kN时，板的荷载-位移曲线仍然表现出线弹性，此时A-1的位移为1.9mm，A-2的位移为2.6mm，这是因为A-1的连接件比A-2的大，所以应力集中小，位移就小。在荷载设计值F=1.0kN的作用下，A-1板的垂直位移为大约为1.3mm，A-1板的平面外位移大约为1.8mm，挠度< L/200。 4.2 A-3、A-4试验结果分析    A-3、A-4测量

12、屋面系统在清洗车重力作用下的荷载-位移关系。A-3和A-4试验除了连接件的位置有差别，其余条件完全一样。试验中，两个平行的连接件通过一根铝圆管连接在一起，同时承受荷载。于是荷载设计值便成为2.0kN。理想情况下，两个连接件的荷载均为1.0kN，实际加载时会有偏差（图12、13）。图12  试验A-3荷载位移曲线图13  试验A-4荷载位移曲线     （1）测点1测量连接件与加载方向相反的一端的翘起，由于没有测量连接件另一端的竖向位移，所以只用测点1的数据不能计算连接件的转角。A-3与A-4试验中，当荷载达到设计值G=2.0kN时，测

13、点1的位移基本相同，约为0.35mm。因为前面已经提到加载不对称，而测点1只测量了一个连接件的竖向位移，所以我们不能通过上面的结果判断出连接件在不同位置时，其与加载方向相反一端的翘起相同。测量该测点的数据只是为了验证其它测点。    （2）测点4测量连接件的水平位移，当水平荷载达到设计值G=2.0kN时，A-3中连接件水平位移为0.15mm，A-4中连接件水平位移为0.25mm。可见连接件的水平位移都很小，对屋面系统影响最大的是连接件的扭转。    （3）测点2和测点3测量连接件顶端的水平位移，与测点4结合可以计算连接件的转角。测量两

14、个连接件的同一位移，是考虑荷载不对称的影响。两组试验中测点3、4的位移相差较大，说明加载时对称性不好。图14显示了A-3和A-4连接件顶点水平位移平均值的比较（考虑底座位移的影响）。A-4比A-3连接件顶点位移大，由图6可知A-4连接件两边的板的旋转约束比A-3差，所以这个结果是合理的。图14  A-3与A-4连接件定点位移的比较 4.3 A-5试验结果分析    图15显示的是试验A-5的荷载位移曲线。在设计人重力荷载的作用下（最大200kg），整个屋面板系统为弹性变形（位移为6.6mm），未发生破损，且挠度<L/200。图1

15、5  试验A-5荷载位移曲线 4.4 B-1试验结果分析    如图10，测点7测量底座的位移，测点5和测点6测量螺栓孔的位移，三个测点的数据结合可以求出螺栓孔的相对位移。    与前三组试验不同，B-1只进行了两个加载循环。在测点5和测点6的荷载-位移曲线中，第一加载循环的卸载段和第二加载循环的卸载段基本重合，可以认为第二加载循环的荷载-位移曲线可以真实的表示板在试验荷载下的荷载-位移关系（图16）。    试验中施加最大荷载为8.0kN，远大于设计荷载最大值F=3.0kN

16、。但是在8.0kN的作用下，螺栓孔的荷载-位移关系仍然是线弹性的。                              图16  试验B-1荷载位移曲线     在设计荷载F=3.0kN的作用下，底座位移约为0.02mm，测点5测得的螺栓孔位移为0.12

17、mm，测点6测得的螺栓孔位移为0.16mm。由此可以得出螺栓孔在F=3.0kN作用下的平均相对位移为0.12mm，小于规定的0.2mm（螺栓孔径6）。 5.  结论    从上面的试验数据可以看出：    （1）国家大剧院屋面系统在设计荷载作用下的承载能力满足要求，在设计荷载下均未发生损伤和破坏。    （2）在设计荷载作用下，屋面系统的变形为线弹性的，这样就保证在正常使用阶段，屋面系统不会产生永久变形。    （3）连接件与板肋连接处在初次加载时容易产生滑移，在施工时需要注意使连接件与板紧密连接。   参考文献1 祝伯学