长沙冰雪世界主体拱形结构设计与选型

长沙冰雪世界主体拱形结构设计与选型周健张耀康王帅顾乐明华东建筑设计研究院有限公司2014/10/31一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约500m、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约500m、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。一工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支承，未支承自由边横向跨度达180m。主要功能包括冰雪世界、水上乐园、停车场等，总建筑面积达12万㎡。地下室最大深度约10.8米，地上部分最大建筑高度约39.9米。东南视角西北视角一工程概况深坑内视角一工程概况坑底视角餐厅内视角冰雪世界水上乐园一工程概况冰雪世界和水上乐园主要位于-10m标高的楼面上，底部为主体拱形结构，实现大尺度跨越。屋盖为空间转折曲面造型，屋盖中部为下凹锥体，呈漏斗状，穿过-10m楼面，漏斗形支座支撑在深坑底部人工岛，人工岛为露天剧场。二结构设计屋盖与主体拱形结构的关系示意解决跨越问题两大部分结构理清三者的关系二结构设计地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实际是一层和两层的结构。二层地下室、水乐园及车库大部分位于深坑以外的土体上，采用钢筋混凝土框架结构，局部与拱形结构连接。雪乐园主体拱形结构为大跨度钢结构，雪乐园大部分位于深坑上方，仅局部滑道区域位于坑壁的土体上。拱形结构拱脚支承于坑壁岩体，利用深坑三边的岩体形成大跨结构。二结构设计地下室结构、主体拱形结构与矿坑山体关系示意二结构设计整体结构示意图（拱形结构+屋盖）地下室和主体拱形结构大跨度空间钢结构屋盖内部及周边不同位置的钢柱支承在主体拱形结构、雪乐园地下室顶板、水乐园顶板及坑边土体上等，中部漏斗形结构与主体拱形结构之间没有联系。三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置结合建筑造型及矿坑周边支承条件，通过找形优化得到合适的曲面；基于竖向荷载作用下曲面应力分析及应力流方向，布置拱结构实现大跨度跨越，各组拱之间的夹角大约为45度-60度。曲面应力流三组拱布置示意图曲面应力流三组拱布置示意图三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置拱形曲面结构：三组主拱+支撑C组拱A组拱B组拱由于建筑造型要求，拱脚与拱顶位置差异而需倾斜放置，总体上形成向南侧坑内倾斜的趋势，通过支撑将各榀拱连成完整的面，提高拱平面内的稳定性。主拱是最主要的竖向荷载受力构件，找形优化后以轴向受力为主，采用大截面钢管结构*。在端部一定长度范围的钢管内灌C60混凝土，充分发挥钢管混凝土的受压能力，减小钢管的截面尺寸。三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架：主拱构件+钢立柱+上弦钢梁+斜腹杆拱形桁架三维图及倾斜拱上桁架由于冰雪世界上部荷载的不均匀性，设置斜腹杆将上述构件组成拱形桁架，减小主拱构件的弯矩，同时增强结构在沿拱跨度方向的整体性。主拱顶部与上弦之间的间距过小时主拱跨中抵抗不均匀荷载的能力差，距离过大时主拱的效率降低，经过计算比选，中心距离取为3米。三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架间的连系桁架（梁）拱形桁架结构体系+=A1A5各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架间的连系桁架（梁）三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系弹性稳定第1阶ζ=17.58弹性稳定第1阶ζ=5.71主体拱形结构的特点：1整体稳定性好2结构冗余度大3抗连续倒塌能力强主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方向在⑨层微风化灰岩范围内布置巨型钢筋混凝土基础，将荷载均匀扩散传递至微风化灰岩。主要由深坑坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，已委托专项单位进行坑壁边坡岩体长期稳定性评价。三主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系拱脚基础与岩体、地下室关系拱脚与基础关系据勘慕察报鸦告，子拱脚絮作用匀范围宿的岩划石存户在节摄理、絮断层罚、溶撤洞等花不利若地质自条件会，且搅岩面尺起伏污很大摧、局报部勘救察点弯岩石象埋深狗很深膛，岩旅体稳晃定性幼的问撤题比吃较突宇出。主体结号构设计礼对主体祖拱形结笋构的布泊置进行羊了优化揉调整，柔考虑罕歪遇地震腔的组合绕下的拱钢脚反力拥作为岩翁体稳定弄性分析我的依据额。三主芒体拱形竟结构选慌型拱脚贴基础腔与岩异体关以系东南怒角处肚拱脚俗结构巷与岩鸽石的榆关系四岸主体驻拱形尤结构热布置间优化洞口在范围恶调整调整前毁洞口尺深寸接近80米，情大面缺积的奔楼板励位于沈最南醉侧拱反脚的牛范围凉以外序，且笔拱脚罢在岩笛石的混作用蛮范围纺较小粪，对标整体惯结构做和拱霸脚基开础岩社石的秋受力拜带来宋不利芦影响灭；减小洞代口尺寸彩至约60米，并荐尽可能恢靠近北命侧坑壁舱布置。四主显体拱形慎结构布袋置优化拱平面俱布置调碍整调整前窗南侧的赚五榀拱杏在拱脚茅处距离血很近，重局部区形域内传适递给岩钳体的力耗比较集掉中，因淘此调整衬了靠近墓洞口的满各榀拱躬的拱脚腾平面位撞置及拱猾的平面拳形状。东北侧存五榀拱爸作用力外方向在权水乐园抛位置东垦南角处银岩体的野薄弱受推力方向俱，因此柳调整了毯东侧拱哥脚的位少置和拱喷的平面赞形状。上述粪调整含明显饥加大魔了受表力较涌大的翁南侧唱拱脚房诚的作累用范奇围，机且所集有拱娱脚相丈对更耕加均届匀的地传递流轴力共到岩翅石，匀改善柔岩体匹的稳泪定性财。四主烛体拱形他结构布优置优化拱脚标愧高调整随着勘乎察数据辛的增加库和对东洗南角拱伴脚所在至的岩体看的进一尖步了解锣，在不救影响整炒体建筑床效果的喷前提下乌，拱脚纪标高调弱整了两膜次，南背侧最大也一组拱鹿的拱脚派基础标美高比方翅案阶段涂降低约8米。一方面粒减小了汇拱的水欲平推力鲜，另一然方面增断大了岩叨体的抗缝滑移剪悲切面，持对岩体捧稳定性蒸有较大稿的改善胖。各次调足整的拱咏形都经鄙过形态伤创建得态到。方案阶减段第一次陶调整第二划次调培整五结语长沙糊冰雪耐世界弃项目库利用深坑坑通壁三边话有岩体的自差然条爹件，干结合岂建筑挡师对仿造型叼的要弃求，奴选择鸣三组摊拱形损桁架堂结构港及联绪系桁威架形打成的轮大跨抽度空米间结序构体路系，愉实现齐最大18厦0米跨傅度的副矿坑绢顶部初跨越宾。选型格过程锻中根用据坑壁岩值石的实味际情况对主村体拱沿形结缸构进庭行优化突调整，使得艘方案更表具有实但施的可北行性。Rhi摧no(犀牛)、Gra寒ssh寒opp抚er等三维队程序在拢复杂结稀构设计子、找形开以及与波建筑师拨沟通过乌程中发杠挥重要芳作用。设计孟过程础中进诱行了江地晃震参激数取耍值研竞