三门峡文体中心会展结构设计

三门峡文体中心会展结构设计

1会展设计方案峡谷体育中心（图1）位于峡谷区西南部，南临鸡江，西接209国道。规划中心占地面积约32万平方米，总面积约142568公顷。主要建筑包括接待中心和健身房。其中会展中心建筑面积约98238m2,地下1层,地上4层,总高度约为25.4m,平面尺寸为119.6m×302.5m,整体不设永久缝,采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。3层展厅部分跨度27m,采用型钢混凝土柱与钢桁架体系,楼板采用现浇混凝土楼板和闭口型压型钢板组合楼板。会展中心屋面采用空间钢管桁架、钢管张弦桁架钢结构,屋架最大跨度64m,屋架悬挑最大长度25m。会展中心典型平面如图2所示,横剖面如图3所示。工程主要设计难点:(1)结构平面尺寸超长,无法设置永久缝,因而结构抗震、裂缝控制是工程难点和重点。(2)工程建筑功能复杂、建筑空间差异大,需要选择不同的结构形式实现建筑空间要求,因而往往需要结合多个分析程序进行分析,不同结构形式之间往往需要采取不同的连接方式确保结构安全。(3)为了减小大跨空间、大跨度悬挑构件的尺度,设计中采用了预应力钢结构、预应力混凝土结构等多项技术,使结构变得轻巧而不笨拙。2标准的设计标准2.1设计类别及工程施工等级工程建筑结构设计基准期为50年;安全等级为二级,结构重要性系数为1.0;抗震设防类别为乙类;抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g;设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,特征周期为0.35s;地基基础设计等级为甲级。结构抗震等级:框架二级,剪力墙一级。2.2屋顶风压分布工程基本风压为0.40kN/m2(50年一遇),地面粗糙度类别为B类。由于钢屋面采用轻型屋面板,屋面钢结构对风荷载较为敏感,有必要通过风洞试验确定风压分布规律。图4为风洞试验结果,其中风荷载平均压力系数为体型系数和高度变化系数的乘积,正负号表示对屋盖法线的正负方向。2.3研究对象工程基本雪压为0.20kN/m2(50年一遇)。根据当地的气象资料,设计时钢结构合拢温度为(15±5)℃,温差为±35℃。3主要结构配置3.1框架柱的截面尺寸会展中心下部主要为混凝土结构,剪力墙、框架柱混凝土强度等级为C40,梁板混凝土强度等级为C30。剪力墙厚分为300,400mm两种,框架柱截面尺寸主要为800×800,局部采用ue788900,ue7881500的圆柱,局部受荷载较大的框架柱内设置有型钢H400×400×60×60。会展中心主要采用钢结构屋盖,钢材强度等级为Q345B和Q345C,钢索为塑料护套半平行钢丝拉索,主要拉索截面为151ue7885,破断应力为1770MPa。3.2结构体系设计会展中心集展览、剧场、科技中心、球幕影院、宴会厅等多种功能为一体,由于不同功能区域对空间大小的需求迥异,采用了9,18,20,22.5,27,29,64m等多种跨度,具有大面积开洞、平面扭转不规则两项重大抗震不利因素,且属于乙类建筑,为有效提高结构整体的抗震性能,经方案比较,整体采用了现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,共设置了24个不同尺寸的剪力墙筒,尤其注意在大开洞楼板周边设置剪力墙筒,有效地缓解了各功能区域抗震性能差异造成的不利影响。图5为ETABS软件整体计算模型。多遇地震下整体分析时采用SATWE和ETABS软件进行对比分析。整体分析结果如表1,2所示,结果表明,两个软件的计算结果基本一致。3.3钢屋架应力比分布前厅钢结构平面尺寸为49m×300m,最大悬挑长度25m,采用三角形空间钢管桁架组成的双向抗侧体系可以有效抵抗竖向、水平荷载。由于幕墙体系与前厅结构结合为一体,前厅钢结构模型纳入了主要幕墙结构进行整体分析。图6为前厅屋架整体计算模型。腹杆主要截面为ue78883×4,ue788102×5两种,钢桁架主管截面有ue788133×8,ue788152×10,ue788180×10,ue788203×14等多种,钢材材质均为Q345B。由于采用轻型屋面板,主要控制荷载为恒载(DL)、活载(LL)、风荷载和温度荷载,地震作用不起控制作用。图7为恒载与活载标准值组合下的挠度分布图,悬挑端最大挠度为170mm,由于部分大尺度悬挑端的竖向挠度超过《钢结构设计规范》(GB50017—2003)的要求,设计时要求对悬挑端进行起拱处理,起拱值为L/200(L为悬挑长度)。图8,9分别为升温和降温时的变形和应力。升温时温度荷载造成X向变形最大值为51mm。由应力图可知,X向两端部分受力最大构件的温度应力占总应力的比例超过50%。前厅钢屋架所有构件的综合验算应力比分布结果见图10,整体构件应力比平均值小于0.65,个别构件应力比达到0.95。主要构件应力比低的原因在于腹杆因长细比构造要求限制,构件截面无法再优化。图11为竣工后前厅内外实景照片,由图可以看出,前厅幕墙体系与前厅钢结构有机结合在一起,三角形空间管桁架整体尺度十分轻盈。3.4桥面桁架单独计算结果展厅楼面平面尺寸为63m×94.5m,根据布展要求,楼面活荷载达到15kN/m2,跨度分为18,22.5,27m三种,采用H型钢钢桁架+闭口型压型钢板组合楼板体系,框架柱采用型钢混凝土柱。次桁架采用上承式H型钢钢桁架,可防止与桁架相连的混凝土梁产生较大的扭矩,同时可保证下弦杆处于受拉状态。图12为展厅主次桁架布置图,这部分除采用ETABS软件在主体结构模型中进行整体计算外,还采用了SAP2000软件单独进行了校核。图13为SAP2000中单独计算分析时使用的模型。图14~16分别为展厅楼面桁架单独计算时的竖向挠度、轴力、弯矩,除水平地震工况外,在其他荷载工况下,与ETABS整体计算结果基本一致。图17~19分别为次桁架与混凝土梁连接节点、主桁架与型钢混凝土柱连接节点和主次桁架连接节点,节点设计时保证了各桁架的传力途径与计算分析假定相符。图20为展厅楼面桁架基本施工完成时的现场照片。3.5施工顺序顺序展厅屋架的平面尺寸为63m×135m,跨度为63m,主要受力结构为63m跨度的横向预应力钢索张弦管桁架,纵向设置两榀管桁架提高屋盖的整体性和稳定性。根据张弦结构的撑杆稳定理论,屋盖没有向上拱起时,张弦桁架的撑杆存在平面外失稳的可能性,因此,为了防止撑杆平面外失稳,设计时在每根撑杆的两侧设置了小直径稳定索。图21为展厅屋架结构平面布置,采用SAP2000软件进行计算分析,计算模型如图22所示。由于采用轻型屋面板,主要控制荷载为恒载、活载、风荷载和温度荷载,地震作用不起控制作用。由于钢索具有一定的几何非线性,荷载加载顺序对结构最终受力结果有显著影响,因此对张弦结构应首先确定施工顺序,按照施工顺序分步加载,工程采用的施工顺序为:1)在单榀张弦桁架自重下,在工地地面对钢索进行初始张拉,初始张拉力为465kN;2)各榀桁架依次在高空吊装到位,安装纵向两榀桁架和屋面檩条;3)安装屋面板和屋面下吊挂设备。按照此施工次序顺序加载,得到正常使用状态下的挠度分布图如图23所示,跨中最大挠度为145.7mm,满足《钢结构设计规范》(GB50017—2003)的要求。图24为预应力+1.2恒载+1.4活载下的构件轴力分布图。图25为撑杆节点详图。撑杆下节点采用铸钢球节点,用两个半球体和高强螺栓将索体夹紧,球体内部通过焊接部分圆形钢丝提高接触面的摩擦力,保证高强钢索能被两个半球体夹紧。撑杆上节点采用销轴节点连接,保证撑杆具有一定转动能力,通过预设撑杆角度,可保证张拉后的撑杆处于竖直状态。上撑杆节点处,由于撑杆节点板厚度和受力均比较大,对主桁架的下弦杆节点处进行了加厚处理。图26为索头铸钢节点,钢索两端索头处,由于局部受力最大,管桁架节点区域采用了铸钢节点。铸钢牌号为G20Mn5,参照欧盟标准DINEN10293:2005,屈服强度大于300MPa,含碳量为0.17%~0.23%,具有良好的焊接性能。设计时在AutoCAD软件中建立实体模型,然后导入到ANSYS软件中进行分析,ANSYS网格剖分模型如图27所示,分析结果如图28所示,由图可以看出,除局部应力集中导致应力较大,整体结果满足铸钢强度要求。图29为展厅屋架吊装和竣工后的实景照片。3.6构件混凝土浇筑工程结构长度达到302m,结构超长且未设缝,为了保证混凝土结构在施工和正常使用期间不开裂,设计中采用了多种先进措施:1)所有梁板构件均采用补偿收缩混凝土,要求添加膨胀剂,但严格限制膨胀率为0.02%~0.03%;2)地下室外墙、基础底板构件除了添加膨胀剂外,还添加了聚丙烯纤维;3)所有梁板构件、地下室外墙、基础底板构件混凝土强度均采用60d设计强度值,添加粉煤灰等掺和料以减少水化热,且要求施工后混凝土强度应不大于设计强度的1.2倍;4)每隔40m左右设置一道后浇带,并严格控制施工后浇带的浇筑时机和膨胀率。除至少要求施工60d后方可浇筑,同时还要求后浇带的浇筑时机应安排在当地温度最低的季节,浇筑时大气温度控制在(-5±5)℃,后浇带混凝土的膨胀剂限制膨胀率为0.03%~0.04%;5)参照温度荷载下楼板及梁内的应力分布结果,楼板上部钢筋部分拉通,尤其是楼板大洞口两侧,楼板上部钢筋全部拉通;增加梁侧腰筋配筋量,尤其增加了外墙梁的腰筋配筋量。目前经过近两年的正常运营,未发现明显的开裂现象,表明上述措施的综合运用,有效地控制了混凝土的开裂情况。3.7工程滑动支护设计展厅屋盖跨度为64m,除考虑恒载、活载、风荷载正常荷载下钢屋架应有良好的受力性能外,同时还需充分考虑温度荷载和地震作用对屋架的影响。一方面,在温度荷载作用下,屋架会产生明显的水平变形,要求支座具备一定的滑移量,以缓解温度荷载造成杆件内力增加过多的情况;另一方面,由于屋架是放置在下部主体结构的顶部,需要防止罕遇地震情况下屋架整体掉落。因此,设计中采取了相应的应对措施:1)大跨屋架的部分支座设计为双向滑动支座,但同时需具备一定的限位功能,以防止大震下滑动量过大造成屋架整体掉落。图30为工程滑动支座的典型节点;2)在大跨空间周边主体结构中布置了数量较多的剪力墙,目的在于提高大跨空间周边结构的整体抗侧刚度,减小罕遇地震情况下的柱顶水平位移,缓解对屋架支座的变形要求;3)加强大洞口周边楼板的厚度和配筋,保证水平地震力能通过楼板传递至刚度较大的剪力墙。3.8灌注桩后主体结构的基础形式由于工程场地原来为一片凹洼地,经回填机械夯实后作为建筑场地,填土下部的黄土状粉土层存在湿陷性,综合比较后,主体结构的基础形式采用钻孔