兰州水舞秀场馆钢结构主体设计研究,结构工程论文

兰州水舞秀场馆钢结构主体设计研究,结构工程论文摘要：兰州水舞秀场馆分为舞台区和看台区,构造形式分别为网架与桁架的组合构造及大跨网架构造,具有大跨度、主体构造开大洞、环境温差大、屋顶主构造变形要求严格及屋顶主构造与幕墙连接复杂等设计难点。具体介绍了钢构造的节点设计、钢构造与幕墙的连接设计、主体钢构造的构造体系及特点。采用MIDAS软件对构造进行了温度分析、基本静力和动力特性分析。分析结果表示清楚,该场馆构造布置合理,构造整体刚度较大且分布均匀。本文关键词语：兰州水舞秀场馆;网架与桁架的组合构造;不规则开洞;温度作用;节点设计;Abstract：LanzhouWaterDanceShowVenueisdividedintostageareaandaudiencearea.Thestructuralformsincludethelarge-spangridandacompositestructureofgridandtruss.Theprojecthasmanydesigndifficulties,suchaslargespan,largeopeninginthemainstructure,largeenvironmentaltemperaturedifference,strictdeformationrequirementofroofmainstructureandcomplexconnectionbetweenroofmainstructureandcurtainwall.Thejointdesignofsteelstructure,theconnectiondesignofsteelstructureandcurtainwall,andthestructuresystemandcharacteristicsofmainsteelstructurewereintroduced.SoftwareMIDASwasusedfortemperatureanalysis,basicstaticanddynamiccharacteristicsanalysisofthestructure.Theanalysisresultsshowthatthevenuestructurelayoutisreasonableandtheoverallstructurestiffnessisstrongandevenlydistributed.Keyword：LanzhouWaterDanceShowVenue;compositestructureofgridandtruss;irregularopening;temperatureeffect;jointdesign;1、工程大概情况兰州水舞秀场馆位于兰州市西固区河口镇,地处黄河和庄浪河交汇处的三角地带,项目所处位置南有兰州国际港务区,并且有京藏高速穿过,是西部大通道陆上丝绸之路的起点。该场馆是兰州市发展一带路的重点工程,建成之后将用于民族特色文化演出,是当前国际同类场馆中最大的水舞秀场馆之一,场馆整体效果图见图1。图1水舞秀场馆效果图主场馆钢构造屋盖建筑面积约为1.2万m2,呈半球形,分为舞台区和看台区两个独立部分。舞台区主体构造跨度为107.8m,宽度为63.6m,高度为29.4m,网架高度为3.8m,舞台区主体构造包含了一长轴为30m、短轴为20.1m的椭圆洞口。看台区主体构造跨度为95.8m,宽度为48.4m,高度约为28.3m,网架高度为3.5m。场馆钢构造俯视图及中线位置剖面图见图2,3。图2兰州水舞秀场馆钢构造俯视图/m图3兰州水舞秀场馆中线位置剖面图/m主场馆演出方案由法国ECA2公司设计。ECA2公司通过大量的光学、声学模拟分析,要求场馆的灯光、音响、水瀑等设备安装在固定位置,且为获得完好的回声面,幕墙内壁需为光滑双曲面,变形不宜过大,又因幕墙固定在主体构造上,则在构造使用经过中需严格控制主体构造变形。综上,主体构造网架构件的布置在避让各式各样的演出设备并为幕墙安装留有适宜的空间的同时还要严格控制主体构造的位移变形,以保证最佳演出效果。2、构造体系及特点2.1、屋盖钢构造体系兰州水舞秀场馆钢构造属于大跨度复杂空间构造,由舞台区和看台区两大部分组成。舞台区构造由双层半球面大开洞网架及竖向支承体系构成,是网架构造和空间桁架构造的组合构造。双层网架由曲面形式的圆钢管组成的三角锥和四角锥互相连接而成。为知足场馆设备的安装及维修要求,舞台区构造内部需铺设马道,马道由桁架构成,如此图4所示。看台区为曲面形式的正交四角锥网架构造,平面投影为半椭圆,其构造体系与舞台区大体一样,但看台区网架无开洞,为规则的空间曲面网架构造。2.2、构造竖向支承体系兰州水舞秀场馆的竖向支承体系分为两种,分别为桁架柱支承和网架支点落地支承,如此图5所示。舞台区桁架柱支承为13根直径为530mm和325mm的竖向钢管组成的钢桁架格构柱,柱高4.9～9.7m;看台区桁架柱支承为三个直径为325mm的竖向钢管组成的格构柱。格构柱和混凝土基础采用万向支座连接,此种支座能够抵抗较大的柱底竖向荷载和水平荷载,并能释放柱底弯矩。格构柱柱脚连接大样见图6。网架支点落地支承采用球形节点与万向支座协同工作,使钢构造网架与混凝土基础直接相连,能够保证柱底部弯矩的释放和水平及竖向荷载的传递。2.3、幕墙安装由于外幕墙突出主构造轮廓,形似羽毛,且角度较小,故屋面顶部主体钢构造采用提早增加圆形支托(圆盘)的方式与幕墙龙骨进行连接,如此图7所示。该连接形式在为幕墙施工提供足够施工操作面、有效减小焊接热应力集中对主体构造造成的不利影响的同时,即保证了构造明确的传力途径,又避免了对钢构造杆件的局部毁坏和整体稳定系数的降低。图4马道模型示意图(深色线段为马道杆件)图5构造竖向支承体系(深色圆点为落地支点)图6格构柱柱脚连接大样图7幕墙连接钢构造节点大样图根据幕墙设计师的要求,内壳吊顶幕墙龙骨需同主体钢构造杆件等距离固定,结合本工程实际情况,幕墙龙骨采用钢制抱箍件通过螺栓与主构造杆件连接,如此图8所示。这种机械连接方式可允许抱箍件有微小转动,螺栓连接可充分释放弯矩,抱箍件间距较小,构造设计时将点荷载等效为线荷载输入在杆件上,使理论计算与实际受力相吻合。图8舞台区吊顶穿孔铝单板幕墙竖剖节点图2.4、构造特点以及设计难点构造特点以及设计难点为:1)为知足场馆设备的安装及维修要求,舞台区构造内部要留有可供人行走的马道,但网架构造无法知足空间要求,故在网架构造内部增加桁架。网架与桁架组合构造使地震作用计算和内力传递愈加复杂;2)舞台区大开洞的构造形式对构造刚度和构造抗震性能具有不利影响;3)根据方案效果的要求,部分区域网架厚度需要增加,因而,网架从双层增加至三层,如此图9所示,这使得球节点连接的杆件数量增加了一倍,给构造节点的设计、加工和安装均带来了很大困难和挑战;4)构造双向跨度均较大,且西北地区冬季、夏季温差大,因而温度作用对构造设计的影响较大。图9三层网架位置示意图(深色线段为三层网架)3、构造分析及设计3.1、分析模型采用MIDAS软件进行钢构造设计计算,华而不实网架构造采用一般的二力杆单元模拟,连接有幕墙环形抱箍件的下弦杆采用一般梁单元模拟。马道体系采用桁架单元模拟。格构柱的柱脚、网架周边的落地支点均采用固定铰支座。3.2、荷载作用与设计准则荷载工况主要包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用和温度作用,各项荷载的取值如下:恒荷载:自重由程序自动计算;其他恒荷载根据实际情况取值。活荷载:上弦0.5kN/m2,下弦0.5kN/m2;桁架通廊2kN/m2。风荷载:在X,Y向均输入0.3kN/m2,研究风荷载作用下构造的受力情况。地震作用:根据(建筑抗震设计规范〕(GB500112018)[1](2021年版),拟建场地地震基本烈度8度(0.20g),建筑场地类别Ⅱ类,场地特征周期取0.45s。温度作用:本项目位于西北地区,主体钢构造在秋天安装,冬季合拢。温度分析时考虑了降温20℃、升温45℃这两种极端情况。3.3、设计准则工程构造的安全等级为二级,构造重要性系数为1.0。综合考虑构造的安全性与经济性,确定构件应力比的控制原则为:关键构件的应力比不大于0.85,一般构件的应力比不大于0.90。关键构件即竖向支承构件、桁架杆件、大开洞周边杆件和落地杆件。4、构造静动力性能4.1、构造静力性能舞台区一侧构造大开洞,对整体构造的刚度影响较大,通过构造位移云图来判定构造的合理性,恒荷载作用下构造竖向位移云图见图10。由图10能够看出,看台区和舞台区左右两侧竖向位移云图呈对称分布。竖向位移最大值位置在构造的顶端,华而不实舞台区最大竖向位移为-79.7mm,是舞台区跨度的1/798;看台区最大竖向位移为-164.6mm,是看台区跨度的1/294,因而构造位移在知足演出需求的同时,能够知足(网架构造设计与施工规程〕(JGJ791)[2]中规定的不超过限值(跨度的1/250)的要求。根据位移云图,并考虑拱形构造刚度均匀、顶点竖向位移大、支座水平推力大等受力特征,可断定构造设计合理,符合一般拱形网架的特征。图10恒荷载下构造竖向位移云图/mm4.2、构造动力性能构造的动力性能是进行地震反响分析的基础,由于本项目舞台区构造形式复杂,舞台区中部有大开洞形式,且舞台区是网架与桁架的组合构造,对构造整体刚度和地震性能影响较大,而看台区部分构造形式相对简单,刚度分配较均匀,故本文只研究舞台区的动力分析情况。构造共选取30阶振型进行分析,第1阶振型为舞台区沿Y向的水平运动,其自振周期为0.73s(图11(a))。第2阶振型为沿X向的水平运动,其自振周期为0.49s(图11(b))。第8阶振型为沿Z向的竖向运动,其自振周期为0.37s(图11(c))。质量介入系数合计为99.13%(X向平动)和99.22%(Y向平动)。通过各阶振型图可见,前7阶振型均为X向或者Y向的平动振型,且振型规则,整个构造振型变化均匀,网架与桁架相结合位置经过单元不断调整,并未出现薄弱点。Z向的竖向运动在第8阶才出现。可见构造布置合理,构造刚度均匀。图11构造第1阶、第2阶及第8阶振型图5、设计经过中难点分析5.1、构造空间关系复杂初步设计时,将网架上、下弦根据普通的曲面网架均匀划分网格,并通过腹杆连接,舞台区网架下弦构造布置如此图12所示。细部设计时,针对设备详细位置,进行杆件位置的局部调整和删减,既能保证演出效果,又能实现构造的整体规则。图12舞台区网架下弦构造布置由于场馆较大、设备多且复杂,为保证演出的顺利进行,需在构造内部预留能够供人搬运设备通行的马道(宽1m、高2m)。因网架曲率过大,使得原网架四角锥单元无法知足马道尺寸要求,则在需要铺设马道的位置,将网架替换为单元格更大的桁架。构造大开洞使构造整体刚度不规则,传力途径不明确,开洞周边属于构造薄弱位置,故将开洞周边网架单元划分得小且密,以加强开洞周边的刚度。根据方案设计,内外幕墙固定在网架弦杆上。在构造的顶部位置,内外幕墙间距为4.2m,固定在双层网架上;在构造的底部位置,内外幕墙间距为8.4m,固定三双层网架上。5.2、节点设计看台区网架布置规则,节点处杆件数量较少,且杆件之间角度较大,故采用螺栓球节点较为适宜。舞台区在三层网架的位置,杆件穿插数量较多,螺栓球无法知足设计需求,故舞台区以焊接球节点为主。当节点处杆件角度小于20、杆件数量超过10根时,焊接球节点无法知足设计需求,应选用铸钢节点,如此图13所示。图13舞台区铸钢节点5.3、构造温度作用分析本项目位于西北地区,主体钢构造在秋天安装,冬季合拢。温度分析时考虑了降温20℃、升温45℃这两种极端情况。表1分别给出了恒荷载、降温、升温和恒荷载与温度组合作用下落地支座的水平反力最大值。由表1能够看出,构造受温度作用、恒荷载影响很大,这是由于半圆形构造支座承受恒荷载、温度作用传来的水平力较大造成的。对同一根格构柱的四个支座反力进行分析,发现下面规律:1)单根格构柱四个支座所承受的力的合力是基本不变的,合力不随格构柱杆件布置变化而变化;2)同一根格构柱四个支座反力中,水平力两正两负,可通过调整杆件布置,对水平力的分配进行优化。网架落地支座水平反力最大值/kN表1最终,将格构柱斜杆统一布置为斜向同一个方向,如此图14所示,此种情况下,格构柱的水平力基本由华而不实两个支座承当,另外两个支座承受的水平力很小。图14舞台区格构柱布置6、结束语兰州水舞秀场馆钢构造主体特别复杂,有跨度大、大开洞、多种构造形式互相结合等难点,给构造设计和现场施工