摘要：蘭州水舞秀場(chǎng)館分為舞臺(tái)區(qū)和看臺(tái)區(qū), 結(jié)構(gòu)形式分別為網(wǎng)架與桁架的組合結(jié)構(gòu)及大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 具有大跨度、主體結(jié)構(gòu)開大洞、環(huán)境溫差大、屋頂主結(jié)構(gòu)變形要求嚴(yán)格及屋頂主結(jié)構(gòu)與幕墻連接復(fù)雜等設(shè)計(jì)難點(diǎn)。詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)與幕墻的連接設(shè)計(jì)、主體鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)。采用MIDAS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度分析、基本靜力和動(dòng)力特性分析。分析結(jié)果表明, 該場(chǎng)館結(jié)構(gòu)布置合理, 結(jié)構(gòu)整體剛度較大且分布均勻。
關(guān)鍵詞：蘭州水舞秀場(chǎng)館; 網(wǎng)架與桁架的組合結(jié)構(gòu); 不規(guī)則開洞; 溫度作用; 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì);
1、 工程概況
蘭州水舞秀場(chǎng)館位于蘭州市西固區(qū)河口鎮(zhèn), 地處黃河和莊浪河交匯處的三角地帶, 項(xiàng)目所處位置南有蘭州國(guó)際港務(wù)區(qū), 并且有京藏高速穿過(guò), 是西部大通道——陸上絲綢之路的起點(diǎn)。該場(chǎng)館是蘭州市發(fā)展一帶一路的重點(diǎn)工程, 建成之后將用于民族特色文化演出, 是目前國(guó)際同類場(chǎng)館中最大的水舞秀場(chǎng)館之一, 場(chǎng)館整體效果圖見圖1。
圖1 水舞秀場(chǎng)館效果圖
主場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋建筑面積約為1.2萬(wàn)m2, 呈半球形, 分為舞臺(tái)區(qū)和看臺(tái)區(qū)兩個(gè)獨(dú)立部分。舞臺(tái)區(qū)主體結(jié)構(gòu)跨度為107.8m, 寬度為63.6m, 高度為29.4m, 網(wǎng)架高度為3.8m, 舞臺(tái)區(qū)主體結(jié)構(gòu)包含了一長(zhǎng)軸為30m、短軸為20.1m的橢圓洞口�？磁_(tái)區(qū)主體結(jié)構(gòu)跨度為95.8m, 寬度為48.4m, 高度約為28.3m, 網(wǎng)架高度為3.5m。場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)俯視圖及中線位置剖面圖見圖2, 3。
圖2 蘭州水舞秀場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)俯視圖/m
圖3 蘭州水舞秀場(chǎng)館中線位置剖面圖/m
主場(chǎng)館演出方案由法國(guó)ECA2公司設(shè)計(jì)。ECA2公司通過(guò)大量的光學(xué)、聲學(xué)模擬分析, 要求場(chǎng)館的燈光、音響、水瀑等設(shè)備安裝在固定位置, 且為獲得完整的回聲面, 幕墻內(nèi)壁需為光滑雙曲面, 變形不宜過(guò)大, 又因幕墻固定在主體結(jié)構(gòu)上, 則在結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中需嚴(yán)格控制主體結(jié)構(gòu)變形。
綜上, 主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)架構(gòu)件的布置在避讓各式各樣的演出設(shè)備并為幕墻安裝留有合適的空間的同時(shí)還要嚴(yán)格控制主體結(jié)構(gòu)的位移變形, 以保證最佳演出效果。
2、 結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)
2.1 、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系
蘭州水舞秀場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)屬于大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu), 由舞臺(tái)區(qū)和看臺(tái)區(qū)兩大部分組成。舞臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)由雙層半球面大開洞網(wǎng)架及豎向支承體系構(gòu)成, 是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間桁架結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)。雙層網(wǎng)架由曲面形式的圓鋼管組成的三角錐和四角錐相互連接而成。為滿足場(chǎng)館設(shè)備的安裝及維修要求, 舞臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)部需鋪設(shè)馬道, 馬道由桁架構(gòu)成, 如圖4所示�？磁_(tái)區(qū)為曲面形式的正交四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 平面投影為半橢圓, 其結(jié)構(gòu)體系與舞臺(tái)區(qū)大體相同, 但看臺(tái)區(qū)網(wǎng)架無(wú)開洞, 為規(guī)則的空間曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
2.2 、結(jié)構(gòu)豎向支承體系
蘭州水舞秀場(chǎng)館的豎向支承體系分為兩種, 分別為桁架柱支承和網(wǎng)架支點(diǎn)落地支承, 如圖5所示。
舞臺(tái)區(qū)桁架柱支承為13根直徑為530mm和325mm的豎向鋼管組成的鋼桁架格構(gòu)柱, 柱高4.9～9.7m;看臺(tái)區(qū)桁架柱支承為三個(gè)直徑為325mm的豎向鋼管組成的格構(gòu)柱。格構(gòu)柱和混凝土基礎(chǔ)采用萬(wàn)向支座連接, 此種支座可以抵抗較大的柱底豎向荷載和水平荷載, 并能釋放柱底彎矩。格構(gòu)柱柱腳連接大樣見圖6。
網(wǎng)架支點(diǎn)落地支承采用球形節(jié)點(diǎn)與萬(wàn)向支座協(xié)同工作, 使鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架與混凝土基礎(chǔ)直接相連, 可以保證柱底部彎矩的釋放和水平及豎向荷載的傳遞。
2.3、 幕墻安裝
由于外幕墻突出主結(jié)構(gòu)輪廓, 形似羽毛, 且角度較小, 故屋面頂部主體鋼結(jié)構(gòu)采用提前增加圓形支托 (圓盤) 的方式與幕墻龍骨進(jìn)行連接, 如圖7所示。該連接形式在為幕墻施工提供足夠施工操作面、有效減小焊接熱應(yīng)力集中對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成的不利影響的同時(shí), 即保證了結(jié)構(gòu)明確的傳力路徑, 又避免了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桿件的局部破壞和整體穩(wěn)定系數(shù)的降低。
圖4 馬道模型示意圖 (深色線段為馬道桿件)
圖5 結(jié)構(gòu)豎向支承體系 (深色圓點(diǎn)為落地支點(diǎn))
圖6 格構(gòu)柱柱腳連接大樣
圖7 幕墻連接鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)大樣圖
根據(jù)幕墻設(shè)計(jì)師的要求, 內(nèi)殼吊頂幕墻龍骨需同主體鋼結(jié)構(gòu)桿件等距離固定, 結(jié)合本工程實(shí)際情況, 幕墻龍骨采用鋼制抱箍件通過(guò)螺栓與主結(jié)構(gòu)桿件連接, 如圖8所示。這種機(jī)械連接方式可允許抱箍件有微小轉(zhuǎn)動(dòng), 螺栓連接可充分釋放彎矩, 抱箍件間距較小, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將點(diǎn)荷載等效為線荷載輸入在桿件上, 使理論計(jì)算與實(shí)際受力相吻合。
圖8 舞臺(tái)區(qū)吊頂穿孔鋁單板幕墻豎剖節(jié)點(diǎn)圖
2.4、 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)為:1) 為滿足場(chǎng)館設(shè)備的安裝及維修要求, 舞臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)部要留有可供人行走的馬道, 但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足空間要求, 故在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加桁架。網(wǎng)架與桁架組合結(jié)構(gòu)使地震作用計(jì)算和內(nèi)力傳遞更加復(fù)雜;2) 舞臺(tái)區(qū)大開洞的結(jié)構(gòu)形式對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)抗震性能具有不利影響;3) 根據(jù)方案效果的要求, 部分區(qū)域網(wǎng)架厚度需要增加, 因此, 網(wǎng)架從雙層增加至三層, 如圖9所示, 這使得球節(jié)點(diǎn)連接的桿件數(shù)量增加了一倍, 給結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、加工和安裝均帶來(lái)了很大困難和挑戰(zhàn);4) 結(jié)構(gòu)雙向跨度均較大, 且西北地區(qū)冬季、夏季溫差大, 因此溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響較大。
圖9 三層網(wǎng)架位置示意圖 (深色線段為三層網(wǎng)架)
3、 結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)
3.1、 分析模型
采用MIDAS軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算, 其中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用一般的二力桿單元模擬, 連接有幕墻環(huán)形抱箍件的下弦桿采用一般梁?jiǎn)卧M。馬道體系采用桁架單元模擬。
格構(gòu)柱的柱腳、網(wǎng)架周邊的落地支點(diǎn)均采用固定鉸支座。
3.2、 荷載作用與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
荷載工況主要包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用和溫度作用, 各項(xiàng)荷載的取值如下:
恒荷載:自重由程序自動(dòng)計(jì)算;其他恒荷載根據(jù)實(shí)際情況取值。
活荷載:上弦0.5kN/m2, 下弦0.5kN/m2;桁架通廊2kN/m2。
風(fēng)荷載:在X, Y向均輸入0.3kN/m2, 研究風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力情況。
地震作用:根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB 50011—2010) [1] (2016年版) , 擬建場(chǎng)地地震基本烈度8度 (0.20g) , 建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類, 場(chǎng)地特征周期取0.45s。
溫度作用:本項(xiàng)目位于西北地區(qū), 主體鋼結(jié)構(gòu)在秋天安裝, 冬季合攏。溫度分析時(shí)考慮了降溫20℃、升溫45℃這兩種極端情況。
3.3、 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
工程結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí), 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性, 確定構(gòu)件應(yīng)力比的控制原則為:關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.85, 一般構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.90。關(guān)鍵構(gòu)件即豎向支承構(gòu)件、桁架桿件、大開洞周邊桿件和落地桿件。
4、 結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能
4.1、 結(jié)構(gòu)靜力性能
舞臺(tái)區(qū)一側(cè)結(jié)構(gòu)大開洞, 對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度影響較大, 通過(guò)結(jié)構(gòu)位移云圖來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的合理性, 恒荷載作用下結(jié)構(gòu)豎向位移云圖見圖10。由圖10可以看出, 看臺(tái)區(qū)和舞臺(tái)區(qū)左右兩側(cè)豎向位移云圖呈對(duì)稱分布。豎向位移最大值位置在結(jié)構(gòu)的頂端, 其中舞臺(tái)區(qū)最大豎向位移為-79.7mm, 是舞臺(tái)區(qū)跨度的1/798;看臺(tái)區(qū)最大豎向位移為-164.6mm, 是看臺(tái)區(qū)跨度的1/294, 因此結(jié)構(gòu)位移在滿足演出需求的同時(shí), 能夠滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》 (JGJ 7—91) [2]中規(guī)定的不超過(guò)限值 (跨度的1/250) 的要求。
根據(jù)位移云圖, 并考慮拱形結(jié)構(gòu)剛度均勻、頂點(diǎn)豎向位移大、支座水平推力大等受力特征, 可判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理, 符合一般拱形網(wǎng)架的特征。
圖10 恒荷載下結(jié)構(gòu)豎向位移云圖/mm
4.2、 結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能
結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能是進(jìn)行地震反應(yīng)分析的基礎(chǔ), 由于本項(xiàng)目舞臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜, 舞臺(tái)區(qū)中部有大開洞形式, 且舞臺(tái)區(qū)是網(wǎng)架與桁架的組合結(jié)構(gòu), 對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度和地震性能影響較大, 而看臺(tái)區(qū)部分結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單, 剛度分配較均勻, 故本文只研究舞臺(tái)區(qū)的動(dòng)力分析情況。
結(jié)構(gòu)共選取30階振型進(jìn)行分析, 第1階振型為舞臺(tái)區(qū)沿Y向的水平運(yùn)動(dòng), 其自振周期為0.73s (圖11 (a) ) 。第2階振型為沿X向的水平運(yùn)動(dòng), 其自振周期為0.49s (圖11 (b) ) 。第8階振型為沿Z向的豎向運(yùn)動(dòng), 其自振周期為0.37s (圖11 (c) ) 。質(zhì)量參與系數(shù)合計(jì)為99.13% (X向平動(dòng)) 和99.22% (Y向平動(dòng)) 。
通過(guò)各階振型圖可見, 前7階振型均為X向或者Y向的平動(dòng)振型, 且振型規(guī)則, 整個(gè)結(jié)構(gòu)振型變化均勻, 網(wǎng)架與桁架相結(jié)合位置經(jīng)過(guò)單元不斷調(diào)整, 并未出現(xiàn)薄弱點(diǎn)。Z向的豎向運(yùn)動(dòng)在第8階才出現(xiàn)�？梢娊Y(jié)構(gòu)布置合理, 結(jié)構(gòu)剛度均勻。
圖11 結(jié)構(gòu)第1階、第2階及第8階振型圖
5、 設(shè)計(jì)過(guò)程中難點(diǎn)分析
5.1、 結(jié)構(gòu)空間關(guān)系復(fù)雜
初步設(shè)計(jì)時(shí), 將網(wǎng)架上、下弦按照普通的曲面網(wǎng)架均勻劃分網(wǎng)格, 并通過(guò)腹桿連接, 舞臺(tái)區(qū)網(wǎng)架下弦結(jié)構(gòu)布置如圖12所示。細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí), 針對(duì)設(shè)備具體位置, 進(jìn)行桿件位置的局部調(diào)整和刪減, 既能保證演出效果, 又能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體規(guī)則。
圖12 舞臺(tái)區(qū)網(wǎng)架下弦結(jié)構(gòu)布置
由于場(chǎng)館較大、設(shè)備多且復(fù)雜, 為保證演出的順利進(jìn)行, 需在結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)留能夠供人搬運(yùn)設(shè)備通行的馬道 (寬1m、高2m) 。因網(wǎng)架曲率過(guò)大, 使得原網(wǎng)架四角錐單元無(wú)法滿足馬道尺寸要求, 則在需要鋪設(shè)馬道的位置, 將網(wǎng)架替換為單元格更大的桁架。
結(jié)構(gòu)大開洞使結(jié)構(gòu)整體剛度不規(guī)則, 傳力路徑不明確, 開洞周邊屬于結(jié)構(gòu)薄弱位置, 故將開洞周邊網(wǎng)架單元?jiǎng)澐值眯∏颐? 以加強(qiáng)開洞周邊的剛度。
根據(jù)方案設(shè)計(jì), 內(nèi)外幕墻固定在網(wǎng)架弦桿上。在結(jié)構(gòu)的頂部位置, 內(nèi)外幕墻間距為4.2m, 固定在雙層網(wǎng)架上;在結(jié)構(gòu)的底部位置, 內(nèi)外幕墻間距為8.4m, 固定三雙層網(wǎng)架上。
5.2、 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
看臺(tái)區(qū)網(wǎng)架布置規(guī)則, 節(jié)點(diǎn)處桿件數(shù)量較少, 且桿件之間角度較大, 故采用螺栓球節(jié)點(diǎn)較為合適。
舞臺(tái)區(qū)在三層網(wǎng)架的位置, 桿件交叉數(shù)量較多, 螺栓球無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求, 故舞臺(tái)區(qū)以焊接球節(jié)點(diǎn)為主。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處桿件角度小于20°、桿件數(shù)量超過(guò)10根時(shí), 焊接球節(jié)點(diǎn)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求, 應(yīng)選用鑄鋼節(jié)點(diǎn), 如圖13所示。
圖13 舞臺(tái)區(qū)鑄鋼節(jié)點(diǎn)
5.3、 結(jié)構(gòu)溫度作用分析
本項(xiàng)目位于西北地區(qū), 主體鋼結(jié)構(gòu)在秋天安裝, 冬季合攏。溫度分析時(shí)考慮了降溫20℃、升溫45℃這兩種極端情況。表1分別給出了恒荷載、降溫、升溫和恒荷載與溫度組合作用下落地支座的水平反力最大值。由表1可以看出, 結(jié)構(gòu)受溫度作用、恒荷載影響很大, 這是由于半圓形結(jié)構(gòu)支座承受恒荷載、溫度作用傳來(lái)的水平力較大造成的。
對(duì)同一根格構(gòu)柱的四個(gè)支座反力進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:1) 單根格構(gòu)柱四個(gè)支座所承受的力的合力是基本不變的, 合力不隨格構(gòu)柱桿件布置變化而變化;2) 同一根格構(gòu)柱四個(gè)支座反力中, 水平力兩正兩負(fù), 可通過(guò)調(diào)整桿件布置, 對(duì)水平力的分配進(jìn)行優(yōu)化。
網(wǎng)架落地支座水平反力最大值/kN 表1
最終, 將格構(gòu)柱斜桿統(tǒng)一布置為斜向同一個(gè)方向, 如圖14所示, 此種情況下, 格構(gòu)柱的水平力基本由其中兩個(gè)支座承擔(dān), 另外兩個(gè)支座承受的水平力很小。
圖14 舞臺(tái)區(qū)格構(gòu)柱布置
6、 結(jié)語(yǔ)
蘭州水舞秀場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)主體十分復(fù)雜, 有跨度大、大開洞、多種結(jié)構(gòu)形式相互結(jié)合等難點(diǎn), 給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性, 介紹了構(gòu)件的布置、幕墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì), 同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度效應(yīng)分析、地震作用下的動(dòng)力特性分析等。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果的分析, 判定結(jié)構(gòu)剛度整體均勻合理、受力明確、安全可靠, 且在關(guān)鍵桿件及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)上采取了合理的加強(qiáng)措施。最終使得鋼結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)既能滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求, 又能滿足舞臺(tái)的演出和維護(hù)需求。
參考文獻(xiàn)
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