超限异形大跨空间结构设计中的难点分析

超限异形大跨空间结构设计中的难点分析摘要：超限异形大跨空间结构设计不同于普通的大跨空间结构设计，在结构选型、模型建立、计算分析等方面都存在一些难点。弘润水乐园场馆就是一个不规则拱形大跨空间结构，因体量巨大、空间异形、跨度接近120米，按照超限建筑进行设计。设计过程中遇到的主要难点有结构形式的选择，超限结构的地震时程分析及地震力放大系数的确定，大跨度空间结构支座水平应力的处理及支座形式的选择，大跨空间结构主体结构与幕墙维护结构间的变形协调。针对这些难点本文展开探讨并给出实践中建议采用的解决方法。关键词:超限大跨空间结构；地震力放大系数；水平应力；变形协调1.前言大跨空间结构设计是空间网格结构设计中难度较大的一种结构体系，随着近年来钢结构、幕墙工程技术的发展，大跨空间结构越来越多的应用的在体育场馆、展馆、室内游乐场馆等大跨度的公共建筑中。根据使用功能的要求，大体量的场馆跨度接近或超过规范限定的跨度时应进行超限建筑设计并组织专家评审。弘润水乐园场馆就是这类超限异形大跨空间结构案例的一个代表，它是一个直径108米的大圆球与两个直径58的小半圆球同轴相切形成的空间异形半球体，跨度最小处92米，最大处140米，高度28.5米。该项目2014年设计并通过图审，2015年开工建设，2018年投入使用至今各项功能运行良好、造型简洁美观，收获良好的社会效益。该项目因其特殊性在设计过程中遇到了一些难题，通过探索、研究、讨论、试验等一系列的设计实践工作积累了一些经验，希望在专业领域内，对设计工作者、学术研究者等提供可借鉴的实操经验。1.弘润水乐园场馆超限大跨空间结构设计中的难点分析2.1超限大跨空间结构形式的选择大跨空间结构设计首先要面临的问题就是结构选型，合理的结构选型可以达到结构安全可靠、美观实用、经济适用、施工方便等较高的社会经济效益。弘润水乐园场馆选型集中对比了三种结构体系：空间网架结构、空间桁架结构、空间网壳结构。这三种结构体系各有利弊：空间网架结构是以前应用比较多的结构形式，网架结构整体受力，杆件之间的传力关系相对比较复杂；网架结构因杆件繁多呈现的效果比较杂乱、零散、不够整体；网架结构钢材用量相对较少，材料成本低；网架结构施工需要单杆件现场组装，施工过程中耗时耗力，大批量现场作业导致现场焊接质量要求高、施工难度大，施工平台需要满堂支撑的脚手架搭建施工作业面，施工非常困难。空间网壳结构因其整体性强、结构简洁美观，网壳与玻璃幕墙一起组成的通透、轻巧的建筑效果，越来越多的应用在追求结构美感、欣赏价值较高的艺术馆、公共体育场馆等建筑中，但是因为其钢材用量相对较大材料成本高，施工难度与网架相当，因此一般应用在大型场馆的局部或者体量适中的的建筑中。空间桁架结构体系是近年来越来越受到青睐的结构体系，该体系结构主次分明、传力明确能大大减少杆件的数量；主桁架体系形成美观的整体结构轮廓，很好的体现了结构美；钢材用量适中介于网架结构和网壳结构之间，具有良好的社会经济效益；施工方面可以最大限度扩大工厂制作比例，减少现场施工作业，最大限度实现装配式施工，施工中配合大型吊装机械能极大减少施工平台的搭建，施工简便，现场施工质量控制良好。综合比较三种结构体系的利弊，弘润水乐园场馆采用空间桁架结构体系，这种结构体系对设计者结构整体传力受力途径的把控水平要求比较高，设计者需要根据不同结构的传力途径布置出合理的主次桁架共同组成整体性良好的空间桁架结构体系。2.2超限大跨空间结构设计中地震力放大系数的确定弘润水乐园场馆跨度最小处92米，最大处140米，因其体量巨大、空间异形、跨度接近120米，经专家研判，为保证建筑的安全性，应按照超限建筑进行设计。超限建筑设计中地震作用的计算分析不能仅采用振型分解反应谱法进行地震作用的计算，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。时程分析法地震力放大系数的确定应先建立完整的数字模型，赋予合理的构件截面、材料强度选型等进行初始试算，初步计算分析后得到一个合理的整体计算模型。将计算模型利用非线性分析软件，根据规范［2］输入3:1实际强震记录的加速度时程曲线和人工模拟的加速度时程曲线进行专门的地震作用分析，得到相应的地震力放大系数。该系数应对时程法的包络值或平均值与振型分解反应谱法得到的数值进行比较，取较大值。经过计算及相应的分析，弘润水乐园场馆的地震力放大系数为2.2,该系数根据不同地区的抗震烈度、不同结构体系、不同建筑模型会各不相同，需要具体工程具体分析。通过在计算模型中对地震力进行相应的放大后，对比未采用时程分析法计算所得的整体模型，该项目的用钢量上升约18%。根据经验判断，用钢量的上升幅度在合理的范围内，设计采用的地震荷载合理。2.3大跨度拱形空间结构水平应力的处理大跨度空间结构的水平应力是空间结构计算分析中的一个难题，通长的解决思路都是通过释放支座的刚性约束通过铰接、允许一定的水平位移等方式来进行一个疏通的思路，而不是一味的加大基础来承受巨大的水平力。对于空间结构设计中这一点是与其他结构很显著的一个差别，要引起足够的重视。对于超大跨度的空间结构在支座的处理上要更加棘手，在大跨度适用的球铰拉力支座、橡胶板式支座也较难满足超限大跨空间的要求。为满足超限大跨空间结构支座的安全可靠、使用寿命、维护方便等功能需求，弘润水乐园场馆经多方比较最终选用了万向可移动支座，该支座较多的应用在大跨度桥梁的支座中，有大量的实践经验，而且在长期的使用过程中其性能发挥稳定可靠、效果良好，近年来也应用在隔震建筑中。弘润水乐园场馆万向可移动支座的应用很好的解决了超限大跨空间结构支座巨大水平力剪力的传递与支座限制性位移的关系，在实际使用中发挥了良好的性能。2.4大跨空间主体结构与外围护结构之间的变形协调大跨空间桁架结构体系因体量巨大在地震荷载、温度荷载、风荷载等作用下产生的结构变形量很大，根据规范［1］的1/400来控制，理论上最大的位移能达到230mm。弘润水乐园场馆实际控制值为100mm，尽管设计中考虑了足够的保险系数，但是在温度变化下这个变形量也会导致外围护幕墙与主体结构之间变形不协调同步。为解决主体和外围护间的变形不协调问题，减少变形应力，采取了一系列的构造措施：主体结构的主桁架与次桁架采用刚接，加大结构的整体性，使结构形成整体性较强的空间结构，使主体变形均匀连续，避免出现局部较大变形;外围护幕墙的龙骨单独设置、自成体系，龙骨通过一端固接一端铰接形成一个个幕墙整体单元，每个单元附着在主体上，使维护龙骨的变形与主体变形协调同步;每块玻璃为一个最小的变形单元，通过可变形的结构胶与铝副框固定，满足一定的变形需求，铝副框通过压块和螺栓与龙骨固定满足玻璃单元与幕墙龙骨之间的变形协调。这些措施将大的变形化整为零，分解到每个玻璃单元中，很好的解决了主体与围护结构间的变形协调问题。1.结语超限大跨空间结构随着经济社会的发展应用越来越多，对专业从业人员的要求也越来越高。对于这种超出规范的超限建筑，从业人员要特别重视其与普通建筑之间的巨大差别，应用相应的技术进行专项的设计计算分析，否则会在结构安全、使用功能上存在重大隐患或者