钢筋混凝土空间薄壳结构案例.doc

钢筋混凝土空间薄壳结构

圆顶结构案例分析

姓名：章名路
班级：建筑121
学号：2012012365
指导老师：韩景玮
1. 北京老山奥运自行车馆
（1）项目简介
北京2008奥运会老山自行车赛馆位于北京石景山区老山街，屋盖采用双层球面网壳结构，覆盖直径149．536 m，矢高14．69 m，矢跨比约为l／10，表面积约为18 240 m2．网壳支承于倾斜人字形钢柱及柱顶环形桁架之上，柱顶支承跨度为l 33．06 m．沿周边外挑8.238m,网壳厚度2．8 m，为跨度的1／47．5．屋盖以金属屋面板为主，中部设玻璃采光带．钢结构总用钢量为2040t，合112 k∥m2，其中双层球面网壳用钢量约70 kg，m2

（2）结构形式
网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶，人字型柱柱顶设置钢结构圈梁，利用网壳外挑部分设置圈梁桁架。钢筋混凝土柱柱顶标高+7.15m，网壳最高点标高+35.49m。网壳采用四角锥网格，最大网格尺寸为4.96m×4.24m，厚度2.8m。以四角锥网格为主，径向网格32个，最外圈环向网格96个，向内经多次缩格使网格大小均匀，网壳杆件采用圆钢管截面，钢管规格为矽114×4～矽203×12，节点为焊接空心球节点，规格为D 300×12一D600×24(加肋)．球面网壳周边通过环形桁架支承于人字形钢柱柱顶，环形桁架由4根环梁通过腹杆连接而成全部采用圆钢管截面，其中网壳上、下弦周边的3根环梁截面为>500×16，人字形钢柱柱顶环梁截面为>1 200×20，环梁与腹杆及与人字形钢柱均采用钢管相贯节点相连．人字形钢柱沿环向倾斜设置，共24对，其截面为>l 200×18的圆钢管，柱脚采用铸钢球铰支座节点，如右图所示．除柱脚铸钢节点钢材为Gs一20Mn5N外，室内钢结构钢材为Q345B，室外则采用Q345C，以确保低温下的材料性能．

（3）计算模型
网壳结构设计中假定所有节点为铰接节点，杆件为轴心受力的空间杆单元，采用空间杆系有限元法进行分析，分析模型如图5所示．采用空间网格结构设计软件TwcAD和通用有限元分析软件ABAQUS进行结构分析，以便相互校核．

（4）荷载分析
由于网壳矢跨比较小，在结构自重、屋面恒载、吊挂荷载及屋面活荷等竖向荷载作用下，网壳将产生较大的水平推力．由于人字形钢柱柱脚采用了可以转动的铸钢球铰节点，该水平推力主要由沿网壳周边布置的刚度很大的环形桁架承受，钢柱仅受轴向压力作用，减小了钢柱及下部混凝土结构的负担．风荷载以风吸力为主，风荷载作用下结构的内力及变形与竖向
荷载作用效应相反，并使环形桁架受压、人字型钢柱柱脚节点受拉．由于结构体型较大，设计中考虑了温度荷载效应，温度变化根据北京当地的气候情况取为一20～枷℃．分析表明，温度变化时，结构可以自由地发生较大的温度变形(见图6)而不产生温度应力，升温至“0℃时，结点最大水平位移为26．9咖．由于半跨雪荷载将使结构产生反对称变形(见图7)，因此，对半跨雪荷载进行了补充分析．与满跨活荷载作用相比，在半跨雪荷载作用下，大部分杆件应力有所减小或基本不变，仅无雪荷一侧跨度三分点附近个别杆件应力略有增大．总的来说，不对称分布的雪荷载对该网壳结构的设计不起控制作用．

（5）点刚度对结构性能的影响
由于环梁连续设置、环梁与人字形钢柱采用钢管相贯节点连接，节点刚度较大．设计中简化为节点铰接的杆单元与实际情况不完全相符，尽管一般情况下忽略节点刚度使结构整体设计偏于安全，但节点局部由弯矩引起的次应力可能导致节点失效，危及整体结构的安全；同时，节点刚度可能限制整体结构“自由地”发生温度变形而引起较大的温度应力．为了考察节点刚度对结构性能的影响，将环梁及人字形钢柱假定为梁单元，补充进行了在竖向荷载和温度荷载作用下的结构分析．在竖向荷载作用下，网壳大部分杆件应力有所降低，只有与环梁直接相连的个别杆件应力有所增大，且增大幅度很小；网壳上、下弦周边的3根矽500×16的环梁中剪力、弯矩及扭矩等引起的次应力很小，基本可以忽略不计；人字形钢柱中剪力、弯矩及扭矩等引起的次应力也较小，且人字形柱本身设计应力很低，经验算，人字形柱应力仍满足设计要求；柱顶环梁(西1 200×20)受力性能类似于多跨连续梁，在与人字形柱相连的节点处有较大的弯矩作用，使该节点处环梁应力有较大幅度的增大，达到220 MPa以上，虽满足设计要求但应力偏高，因此，结合人字形钢柱与柱顶环梁相贯节点的设计，在该节点处外包等厚度补强钢板、内衬肋板，如图11．一方面满足节点受力要求，另一方面可以有效降低该处环梁应力。
（6）结论
老山自行车馆屋盖采用的带人字型柱的双层球面网壳结构概念清晰、传力明确、应力分布合理，具有良好的抗震性能和稳定性能；
<1>环梁与柱脚铸钢球铰支座 有效的减小了网壳对支柱及基础的推力，同时也解决了大跨度网架结构的温度应力问题；
<2>设置肋板与垫板提高了环梁大直径圆钢管（D=1200）相贯节点抵抗局部失稳的能力，缓解了节点相贯处的局部应力集中，有效的提高了节点的复杂应力作用下的承载能；
 <3>该网壳结构采用了外扩拼装及圆形拔杆群接力提升就位的安装方法，该方法简便可行、易于控制安装精度且施工费用低。
2. 2008奥运会羽毛球馆
（1）项目简介
2008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学，该馆采用经济合理的联方．凯威特型弦支穹顶结构体系，跨度为93m，矢跨比未1111．9。上层为单层网壳，下部布置5圈预应力索杆体系，撑杆高度为3．9m∞H州。，总建筑面积24383 m2，其中，地下2580m2，基地面积24383 m2，·总用地面积66124m2，体育馆规划用地面积为44355朋2。总坐席数7508席，其中固定席位5480席，临时席位2028席。建筑总高：最高点为25．95m，檐口高14．83m。建筑层数：地上2层，地下1层。

（2）屋盖结构
屋盖采用联方一凯威特型弦支穹顶结构体系，弦支穹顶是一种将刚性的单层网壳和柔性索撑体系组合在一起的杂交预应力大跨度结构体系。通过索撑体系引入预应力,减小了结构位移,降低了杆件应力,减少了结构对支座的水平推力,提高了结构整体稳定性。
跨度为93．0In，矢高9．3m，矢跨比为1／10。上弦为联方一凯威特型组合单层球面网壳，下部布置五圈索体系，撑杆高度为3．9m。网壳的环向杆件采用0245x9，径向杆件采用0245×10，撑杆采用159x6的Q345c钢管。环向索从外到内分别采用拉索SNS／S一7x199，5x139，5x139，5x61，5x61。径向索最外圈采用SNS／S一5x61，其余四圈采用SNS／S一5x37。钢管的弹性模量E=2．06e11N／m2，索的弹性模量E=1．9e11N／m2。初拉力通过施加单元初应变引入，径向索的初拉力通过环向索间接引入。网壳节点为刚接，撑杆与网壳的连接点和撑杆与索的连接点为铰接，边缘支撑采用刚性环桁架梁。

由于施工方法的限制，上层网壳的安装定位依靠布置在节点下部的临时支撑完成，焊接完成后部分结构自重仍由临时支撑承担。

采取的计算模型加入了外部2．4m的悬挑部分，悬挑部分采用了“羽毛主径’’的变截面H型梁，沿梁长方向，梁截面高度、宽度均呈线性变化，翼缘厚度根据应力大小分段变化，钢梁腹板开圆孔，孔径为梁截面高度的2／3，沿梁长方向分步，中心距离为2倍孔径。钢梁材质为Q345B，截面尺寸为H850x 350×12×20,-,300x 250x 12×18，H600x 300×10x 14-,300x 250x 10×12。

（3）总结
<1>弦支穹顶支撑体系(下弦索系统)的设置是设计的关键,需综合结构体系与节点受力特点、体系整体稳定性、钢网壳受力的均匀性、建筑室内美学效果等多方面因素,
进行综合优化设计。
<2>屋面钢结构与下部看台结构整体模型计算与屋盖钢结构单独结构模型计算的对比分析研究表明,下部看台结构对屋盖钢结构设计的影响可不考虑,而 下部看台结构设计必须计及屋盖钢结构的影响因素。
<3>结构体系的整体稳定是弦支穹顶结构安全的控制因素。弦支穹顶为风敏感结构,风振响应大,风荷载是结构安全控制荷载之一。地震作用对于结构体系和构件安全设计不是控制因素体变形影响不是很大,但是使同圈的结构变形很不均匀,在两张拉点中间的区域起拱值降低10%~30%左右。
<4>预应力损失使结构的整体稳定性能下降。通过预应力影响分析表明,弦支穹顶结构的预应力损失使得结构受力不均,其整体稳定性能下降,设计与施工应尽量减小预应力损失。
总之,预应力损失使弦支穹顶结构体系的内力严重不均匀,稳定性能下降,对结构安全性造成较大的不利影响。为了保证弦支穹顶结构体系安全,在设计方面应充分考虑预应力损失的程度,对结构的不利影响进行设计分析,确保安全;在施工方面,索撑节点必须精细加工,同时对索撑节点的加工制作安装应进行全过程质量监控,尽量减少索撑节点预应力损失。