世博主题馆屋盖结构设计

上海世博会主题馆结构选型与设计主题一、上海世博会主题馆工程概况二、主题馆屋面结构方案选型三、主题馆结构计算模型与分析四、主题馆结构设计工程概况

世博会主题馆是展示上海世博会“城市，让生活更美好”的主题和凸现大型事件的展览场所。世博会期间将结合世博轴北端的庆典广场举办世博会开、闭幕式等大型活动。世博会后主题馆将综合利用为展览建筑群体。主题馆作为永久保留场馆建筑，地上建筑面积为8.0万平方米，地下建筑面积为4.0万平方米。工程概况工程概况屋面建筑平面投影为矩形平面，东西向288m，南北向216m，高度为26m。室内按功能要求分为三个区，即西侧展厅中庭、东侧展厅。其中，西侧展厅是180m×140m无柱大空间。屋面结构南、北方向各悬挑18m。

建筑平面图建筑平面图结构方案选型结构挑战主题馆屋盖结构设计之挑战西侧展厅为180m×140m无柱大空间，建成后为中国最大跨度展馆之一。为保证建筑室内净高要求，西侧展厅屋面结构高度限制在12m之内。展厅南、北方向悬挑端跨度18m，如何有效解决悬挑端弯距对内侧屋面的不利影响。屋面结构设计要体现屋面之轻盈、简洁、通透，置身于展厅中将领略到结构之韵律美及先进结构技术造就的时代感。

结构方案选型方案一：单向张弦桁架西侧展厅屋面结构选型轴侧图平面图立面图结构方案选型方案二：双向张弦桁架轴侧图平面图西侧展厅屋面结构选型立面图结构方案选型方案三：巨型折板框架轴侧图平面图西侧展厅屋面结构选型立面图结构方案选型西侧展厅屋面结构选型结构参数方案一方案二方案三结构方案单向张弦桁架双向张弦桁架巨形折板框架结构高度(m)11.511.58标准竖向荷载跨中变形(mm)-368-426-262支座推力(KN)22541940单位用钢量(kg/m2)101189104西侧展厅屋面结构方案对比分析结果西侧展厅屋面结构方案评价从结构效率来看，方案三最优，结构高度最小，竖向刚度大；方案一在结构高度能满足建筑室内要求的前提下，结构挠度符合要求，且单位用钢量最省；方案二结构效率较低，用钢量大。从对下部结构影响来看，方案一为自平衡体系，故对下部结构推力较小，柱子及基础设计难度低，结构费用少；方案三为巨型门式刚架体系，上部结构对基础的推力是一较难处理的问题。从对建筑要求影响来看，方案三两侧巨型柱各宽9m，建筑空间占用很大；方案一对下部结构要求较低，故柱子截面较小，建筑空间利用率较方案三高。经以上比较，西侧展厅屋面结构选择单向张弦桁架方案。结构方案选选型张弦桁架实实体图西侧展厅沿沿屋面纵向向布置张弦桁架作为屋面结结构的主要要承重体系系。结构跨度144m，结构高度度11.5m，失跨比为为1/12.5。每榀张弦桁桁架布置2道V字型撑杆。。西侧展厅屋面结构选选型结构方案选选型张弦桁架构构成图结合屋面建建筑形态和和表面机理理，上弦采采用断面为为正三角形立立体桁架，立体桁架架高3m，宽3m。两对V字型撑杆上上端连接于于立体桁架架下弦杆，，下端通过过索夹相连连，从而确确保了撑杆杆平面内、、外稳定性性。索夹设计为为在张弦桁桁架平面内内可自由转转动，保证证了索力有有效传递。。张弦桁架下下弦采用两两根平行钢钢拉索，拉拉索间隔1.5m拉索V字型撑杆立体桁架索夹张弦桁架结构方案选选型东侧展厅、、中庭立体桁架实实体图东侧展厅及及中庭结构构选型东侧展厅及及中庭屋面面结构沿东东西向采用用多跨连续立立体桁架作为屋面承承重结构。。立体桁架采采用断面为为正三角形立立体桁架，纵向三榀榀立体桁架架下弦宽度度均为3m，桁架高度度均为3m。结构方案选选型挑檐设计挑檐设计挑檐采用变截面平面面桁架结构形式，，跨度18m，间隔3m，共192榀。为进一部加加强挑檐结结构的整体体性，并改改善檩条的的受力性能能，檩条中中部通过V型隅撑系统统与平面桁桁架下弦杆杆连接，形形成独特的的三维檩撑撑体系。挑檐边桁架平面桁架檩条隅撑挑檐布置图图结构方案选选型檩条体系屋面檩条体体系剖面图图屋面檩条体体系选型檩条布置结结合建筑屋屋面造型，，一端连接接于立体桁桁架上弦杆杆，另一端端连接于立立体桁架下下弦杆，内内跨檩条采采用H型钢。边跨檩条设设计为与挑挑檐相同结结构形式，，即变截面面平面桁架架，通过桁桁架檩条抗抗弯能力平平衡了挑檐檐对边桁架架扭转，减减小了边榀榀菱形桁架架的截面尺尺寸。H型钢钢檩檩条条桁架架檩檩条条挑檐檐张弦弦桁桁架架边桁桁架架结构构方方案案选选型型支撑撑体体系系屋面面支支撑撑体体系系布布置置图图屋面面支支撑撑体体系系屋面面沿沿纵纵向向布布置置6道支支撑撑。。屋面面沿沿横横向向在在西西侧侧展展厅厅中中间间及及两两侧侧布布置置4道支支撑撑，，在在东东侧侧展展厅厅两两侧侧布布置置2道支支撑撑。。屋面面支支撑撑结构构方方案案选选型型屋面面结结构构平面面图图结构构方方案案选选型型屋面面结结构构轴侧侧图图结构构方方案案选选型型屋面面结结构构剖面面图图屋面面纵纵向向剖剖面面图图屋面面横横向向剖剖面面图图结构构分分析析与与设设计计荷载载取取值值结构构自自重重：：按按实实际际情情况况考考虑虑屋面面恒恒荷荷载载：：西侧侧展展厅厅屋屋面面、、东东侧侧展展厅厅屋屋面面及及挑挑檐檐取取0.8KN/m2中庭庭屋屋面面取取1.2KN/m2(考虑虑太太阳阳能能板板荷荷载载））屋面面活活荷荷载载：：整整体体计计算算取取0.3KN/m2；檩檩条条设设计计取取0.5KN/m2屋面面风风荷荷载载：：挑挑檐檐处处取取2.7KN/m2，其其他他屋屋面面取取1.08KN/m2（风风吸吸））温度度作作用用：：上上海海市市市市区区年年极极端端最最高高气气温温38.8℃℃，年年极极端端最最低低温温度度-2.0℃℃，故故取取最最不不利利季季节节温温差差40.8℃℃作为为结结构构设设计计温温度度值值。。地震震作作用用：：设设防防烈烈度度为为7度，，特特征征周周期期0.9s，屋屋盖盖单单独独计计算算阻阻尼尼比比取取0.02，上上、、下下部部结结构构整整体体计计算算取取0.035荷载载取取值值屋面面结结构构单单独独计计算算模模型型上、、下下部部结结构构整整体体计计算算模模型型结构构分分析析模模型型本结结构构采采用用以以下下计计算算分分析析模模型型：：屋屋面面单单独独计计算算模模型型，，采采用用弹弹簧簧单单元元模模拟拟下下部部结结构构的的刚刚度度；；屋屋面面与与下下部部结结构构整整体体计计算算模模型型；；同同时时还还对对单单榀榀张张弦弦桁桁架架进进行行张张拉拉分分析析。。计算算模模型型结构构分分析析与与设设计计初始始预预应应力力状状态态下下内内力力图图初始预预应力力状态态下变变形图图初始态态单根索索力初始预预应力力为1987KN，其应应力为为112MPa上弦杆杆内力力初始预预应力力状态态下为为2643KN单榀张张弦桁桁架静力分分析结构分分析与与设计计荷载态态单根索索力1.2Dead＋1.4Live，内力力为5010KN,其应力力为284Mpa上弦杆杆内力力1.2Dead＋1.4Live，内力力9451KN1.2恒＋1.4活荷载载作用用下内内力图图1.2恒＋1.4活荷载载作用用下变变形图图结构分分析与与设计计单榀张张弦桁桁架静力分分析单榀张张弦桁桁架静静力分分析结结果表表结构分分析与与设计计荷载工况分析内容分析结果Self拉索内力（KN）1987预应力反拱(mm)103支座滑移(mm)47Self+Dead拉索内力（KN）3840跨中挠度(mm)-236支座滑移(mm)21Self+Dead+Live拉索内力（KN）4404跨中挠度(mm)-339支座滑移(mm)14Self+Dead+Wind拉索内力（KN）2497跨中挠度(mm)20支座滑移(mm)40张弦桁桁架跨跨中最最大挠挠度为为-339mm，小于于跨度度的1/400在风载载作用用下，，张弦弦桁架架最小小索力力为2497KN，拉索索不松松弛张弦桁桁架支支座最最大滑滑移量量为47mm单榀张张弦桁桁架静力分分析荷载工况分析内容单独分析整体分析误差（%）Self+Dead+Live拉索内力（KN）415343524.5跨中挠度(mm)-368-3834支座推力（KN）112250Self+Dead+Live+Tempereture拉索内力（KN）408543285.6跨中挠度(mm)-354-3571.1支座推力（KN）941049.6屋盖上上部结结构单单独分分析与与上、、下部部结构构整体体分析析比较较分析结结果评评价单独分分析与与整体体分析析在拉拉索内内力及及跨中中挠度度方面面的差差异均均较小小，因因此单单独分分析结结果能能够满满足上上部屋屋盖设设计要要求。。单独分分析与与整体体分析析支座座推力力差异异较大大，原原因主主要是是由于于下部部结构构复杂杂，采采用弹弹簧单单元较较难真真实模模拟支支座处处侧向向刚度度。因因此，，需要要通过过上、、下部部整体体分析析才能能较准准确地地确定定上部部屋盖盖对下下部结结构的的真实实反力力。结构分分析与与设计计屋盖静静力分分析超长结结构温温度效效应分分析结构分分析与与设计计楼面温温度作作用一层东东侧展展厅为为180m××108m大空间间，本本层楼楼面尺尺寸超超出规规范建建议的的伸缩缩缝间间距限限制，，属于于大面面积楼楼盖结结构，，故采采用有有限元元计算算分析析楼板板温度度应力力问题题。钢框架架与混混凝土土楼板板同时时升降降温40.8℃℃，采用用混凝凝土弹弹性模模量折折减来来模拟拟混凝凝土楼楼板的的徐变变问题题。超长结结构温温度效效应分分析结构分分析与与设计计楼面温温度作作用应力集集中部部位楼板右右侧边边三等等分附附近楼板左左侧边边跨中中处楼板上上下边边左角角处应力集集中处处楼板板最大大应力力1.90mpa>1.43mpa应力集集中原原因相同位位置附附近布布置有有柱间间支撑撑，限限制了了板的的自由由收缩缩非应力力集中中处楼楼板应应力平平均为为0.2mpa动力分分析第一阶阶：纵纵向整整体平平动，，周期期1.2s第二阶阶：横横向整整体平平动，，周期期0.94s第三阶阶：整整体扭扭转，，周期期0.73s结构分分析与与设计计分析内容分析结果结构自振周期T1(s)1.2T2(s)0.94T3(s)0.73T3/T10.61最大层间位移角纵向地震作用1/361横向地震作用1/409最大层间位移与平均层间位移的比值纵向地震作用1.032横向地震作用1.259动力分分析结结果屋面结结构动动力分分析结结果表表通过屋屋面支支撑和和柱间间支撑撑的合合理布布置，，结构构的扭扭转/平动周周期比比、最最大扭扭转位位移比比以及及最大大层间间位移移角均均满足足相关关规范范要求求。结构分分析与与设计计设计结结果屋面结结构主主要杆杆件