談雜交張拉結構體系在體育場中的應用

談雜交張拉結構體系在體育場中的應用

0張弦結構體系的應用需要復雜的設計技術所有具有長期生命力的體育建筑作品通常通過以下兩種方式進行。首先，通過改革和創(chuàng)新結構體系，我們可以創(chuàng)造一種新的建筑空間模型。例如，正如蘭沙姆體育中心（索登），這需要一個長期的研究、實驗和實踐過程。其次，根據(jù)建筑造型的特點，選擇適應性強、效率高的結構體制，建筑藝術和結構技術的完美結合。對于結構設計而言,需要運用清晰的結構概念,配合建筑師創(chuàng)造富于想象力和創(chuàng)新性的屋蓋造型,合理選擇結構體系,在深入分析和不斷調整優(yōu)化的基礎上,最終形成高效、先進的大跨度屋蓋結構。這是提升結構工程師思維與設計能力的大好機遇。按照結構剛度來分,體育館建筑可分為剛性結構體系(如網(wǎng)架、桁架混凝土結構),柔性結構體系(如索膜結構)和剛柔雜交結構體系。作為新型雜交張拉結構體系,張弦結構有著與眾不同的優(yōu)異性能:結構構成的合理性,卓越的自平衡特性和整體穩(wěn)定性,主動的應力控制和變形控制功能,良好的耗能性能,以及對建筑造型極強的適應能力等。這些特點使張弦結構這類剛柔并濟的新型結構體系在日趨復雜化、專業(yè)化的體育場館設計中得到了廣泛的運用。近十年來,我國人均體育場地面積、每萬人擁有體育場地數(shù)和人均體育場地投資額等指標均有了很大程度的提高。“申奧”成功之后,體育場館的建設更是步入高潮。1北京大學奧運會乒乓球館1.1屋面曲面形態(tài)設計北京大學體育館(圖1(a))為2008年奧運會乒乓球比賽館,共8000座席,規(guī)模達2.5萬m2。其屋蓋由旋轉屋脊與曲線屋檐形成異型曲面,并與中央透明的球體共同組成屋蓋造型,詮釋了乒乓球是對速度、力量、旋轉的綜合要求。在進行結構選型和體系建立的過程中,首要難題在于:面對如此復雜的一個曲面造型屋蓋,傳統(tǒng)解析方法已無法準確描述,然而屋面曲面形態(tài)設計又是屋蓋結構選型、體系建立、構件定位、排水設計、屋面施工等多項后續(xù)工作的前提。為此,采用一種特殊的曲面找形技術——NURBS來完成該屋面的曲面形態(tài)設計(圖1)。NURBS是“非均勻有理B樣條方法”的簡稱。首先,根據(jù)屋面的三組控制線即中央球殼支承邊界、旋轉屋脊和異型屋檐來繪制屋面邊界模型并對屋面進行子域細分;隨后,利用NURBS中的放樣命令生成曲面面片,并作拼接過渡和光滑處理,形成曲面模型;最后,剖切形成輻射桁架定位線及等高線,實現(xiàn)由建筑造型向結構設計的過渡。在充分研究屋蓋的建筑形態(tài)以及下部結構可以提供的支承條件的基礎上,選擇預應力空間桁架殼體作為屋面結構體系。結合下部混凝土結構柱網(wǎng)布置,共布置了32榀輻射桁架(圖2(a)),桁架外端設置滑動支座以釋放殼體形成的水平推力,桁架內端支承于受壓剛性環(huán),該剛性環(huán)兼做中央球殼的周邊支承;各榀輻射桁架通過外環(huán)桁架、環(huán)向支承桁架、屋面聯(lián)方型交叉支撐(圖2(b))連成整體;在各榀輻射桁架下部設預應力拉索,通過受壓撐桿與受拉剛性圓環(huán)將拉索與桁架殼體構成整體,形成預應力空間桁架殼體(圖2(c))。1.2結構分析和優(yōu)化1.屋頂支撐體系滑移量過對拉索施加一定的預張力,通過撐桿對上部殼體實施反拱卸載,既增加了屋蓋的豎向剛度,又使上部殼體的桿件應力比均得到了很好的控制,同時拉索的水平分力有效彌補了因滑動支座的設置而引起的支座滑移量過大,從而使結構在自重作用下形成自平衡體系。在最不利荷載工況下,屋蓋最大撓度為93.1mm,滿足規(guī)范要求;支座最大滑移量為39.8mm,小于70mm的滑程限值。非線性屈曲分析表明,在“1.0恒載+1.0活載”的標準組合下,非線性屈曲系數(shù)為12.96。第1階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為跨度最大的輻射桁架在臨近支座處發(fā)生平面外失穩(wěn),且前6階屈曲模態(tài)中并未出現(xiàn)屋蓋整體扭曲的模態(tài),表明屋面支撐體系提供的殼體面內剪切剛度較大,屋蓋結構在正常使用狀態(tài)下不會發(fā)生失穩(wěn)。要進一步判斷屋蓋的極限狀態(tài)是穩(wěn)定控制還是強度控制,則需進行更為深入的彈塑性極限承載力分析。2.結構的塑性發(fā)展順序為了對結構整體安全度進行準確評估,需同時考慮幾何非線性、材料非線性以及支承條件的非線性變化,對屋蓋進行彈塑性極限承載力分析。運用通用有限元軟件ANSYS9.0,采用弧長法來跟蹤極值點失穩(wěn),得到結構的荷載-位移全過程曲線,從而把結構的強度、剛度和穩(wěn)定性的整個變化歷程表示清楚,使結構的非線性穩(wěn)定分析與極限承載力分析合二為一。取“1.0恒載+1.0活載”作為標準組合,屋蓋結構的塑性發(fā)展順序見表1所示。綜合分析殼體的塑性發(fā)展順序可知,結構的最終破壞主要由兩方面的因素導致:一方面,受壓剛性環(huán)上、下弦桿,屋面的交叉支撐大量進入塑性導致殼體的整體性大大削弱,平面桁架間的協(xié)同工作性能下降;另一方面,支承于滑動支座的立柱大多進入塑性,殼體的支承條件嚴重削弱。在兩方面因素的聯(lián)合作用下,結構達到其極限承載力。此時,最大撓度達497mm,荷載因子約為4。由圖3荷載-位移曲線發(fā)現(xiàn):在荷載因子達到1.80之后,曲線斜率顯示出先增大后減小的規(guī)律。這是由于當荷載因子增加到1.80時,部分滑動支座陸續(xù)達到滑程限值,相當于結構所受到的約束條件開始增強,此時桿件均處于彈性工作狀態(tài),隨著進入滑程限制的支座增多,結構的剛度逐漸增大;而當荷載因子增加到2.5時,結構由于部分桿件進入塑性而開始發(fā)生剛度軟化;隨后荷載繼續(xù)增加,當材料軟化造成的結構剛度削弱速度超過支承條件增強造成的結構剛度增加速度時,整個結構開始發(fā)生剛度軟化。由于結構進入塑性的荷載因子為2.5,如取活荷載的分項系數(shù)為1.35,則結構能夠滿足承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。3.下部結構影響分析將下部混凝土框架與屋蓋結構整體建模進行分析,其結果與屋蓋單獨建模分析結果進行對比見圖4與表2。圖4表明下部結構對屋蓋豎向剛度影響不大。而表2中反力數(shù)值對比可知,支座處水平反力對邊界條件比較敏感,兩個模型的計算結果相差很大。其原因是:一方面,單獨計算模型忽略了下部混凝土框架結構由于上部屋蓋結構的作用而產生的彈性變形;另一方面,下部混凝土框架結構并非無窮剛,而是彈性支承,所以其側向剛度對上部屋蓋結構底部變形有較大影響。這兩方面反映了上、下部結構協(xié)同工作和相互影響的過程。因此為了準確計算屋蓋對下部結構的水平作用力及支座滑移量,宜考慮下部支承結構的真實剛度,采用整體計算模型進行計算分析。4.優(yōu)化結構設計(1)輻射拉索初始預張力的影響拉索初始預張力的合理選擇,是實現(xiàn)屋面形態(tài)設計和確保結構優(yōu)異性能得以發(fā)揮的關鍵。一般而言,拉索初始預應力度的取值主要考慮以下兩個基本指標:首先,應使索在任何工況下(包括不利風吸和升溫作用)均不出現(xiàn)松弛,以保證必要的整體剛度和穩(wěn)定的幾何形態(tài);其次,應使索力對結構形成有效的反拱卸載,增強豎向剛度,并減少支座水平推力和滑移量,但同時須保證索的豎向分力和水平分力不能過大,防止反拱或滑移超限?；诖?暫定給32根輻射拉索均施加500kN的初始預張力,此時結構在初始態(tài)與荷載態(tài)下,各項指標如反拱、撓度、支座滑移、水平推力均得到了較好控制。進一步分析北大體育館的結構布置特點,由于拉索一端連接于圓形受拉環(huán)、另一端則連接于矩形外環(huán),且每根拉索的長度和角度不盡相同,所以當給所有拉索施加相同預張力后,發(fā)現(xiàn)內側受拉環(huán)在X向被拉伸、Y向則相應壓縮,圓環(huán)變形為橢圓環(huán)(如圖5),這將會對結構的安全性造成不利影響。因此,在先前確定的500kN預張力的基礎上,進一步對其索力分布進行優(yōu)化,確定對X向拉索施加420kN預張力,而Y向仍保持500kN,從而既滿足上述兩項基本指標,又使受拉圓環(huán)在內力及變形方面得以均衡。(2)輻射桁架的布置平面桁架的面外剛度較差,須合理設置支撐體系以保證其不發(fā)生平面外屈曲。針對北大體育館屋蓋結構的空間特點,布置了5m間距的同心圓環(huán)桁架作為輻射桁架的面外支撐,并在上弦平面內設置了聯(lián)方型交叉支撐(圖6),以保證各榀輻射桁架的協(xié)同工作性能,增強屋蓋空間整體剛度。在完成了支撐體系的布置后,對支撐形式進行優(yōu)化,改變下弦和腹桿的排列,將平行弦桁架改為圖7所示的形式,在不改變桁架單元基本受力性能的前提下使其顯得更加輕盈,美化了建筑室內空間。(3)滑動支護的轉換偏平殼體將對下部混凝土框架產生極大的水平推力,若下部框架無法提供強支承,則須通過屋蓋自身的優(yōu)化來合理處理:首先轉換思路,將單一的“抗”轉變?yōu)橛薪M織的“放”,即設置滑動支座,在一定滑程限值范圍內通過釋放位移來釋放水平推力;其次,合理調節(jié)拉索預應力,控制支座滑移量不至過大,同時索通過撐桿對殼體實施反拱,以彌補因設置滑動支座而造成的屋蓋剛度的削弱。這兩方面的措施體現(xiàn)了雜交張拉結構優(yōu)異的自平衡特性和主動的變形控制功能。2大學體育館2.1網(wǎng)架網(wǎng)殼的確定安徽大學新校區(qū)體育館(圖8)建筑造型呈鉆石形,平面為正六邊形,最大跨度87.7m,規(guī)模達1.2萬m2,共5000座席。屋蓋中央設置跨度24m的正六邊形采光玻璃天窗。如此規(guī)則的建筑平面布局,使傳統(tǒng)的網(wǎng)架網(wǎng)殼成為可行的方案,但需克服兩個難題:支座推力的處理和用鋼量的控制。經(jīng)分析比較后,選擇了雜交張拉結構體系中的弦支網(wǎng)殼(圖9):在屋脊處對稱設置六道脊梁,將屋面分為六個平板區(qū)格,每個區(qū)格內布置徑向梁和橫向梁。沿脊梁從外到內設置五道環(huán)索、斜拉索以及連接脊梁和索的撐桿。斜索的水平分力與環(huán)索軸力平衡,豎向分力則通過撐桿對上部結構實施反拱卸載。在采光頂周圍以及結構外沿分別設置一道環(huán)向空間桁架,以增強結構整體剛度,并協(xié)調各區(qū)格桿件的變形及受力。2.2結構分析和優(yōu)化1.網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性分析在非線性找形分析基礎上,施加荷載觀察結構的內力及變形:在恒載作用下,受力最大的主脊梁的彎矩圖呈鋸齒型,正負峰值彎矩的絕對值接近,受力區(qū)域均衡;在不利荷載工況下,屋蓋頂點最大撓度為104mm,主脊梁最大撓度為148mm,均滿足規(guī)范限值;支座推力控制在180kN,能直接由下部框架柱承受;對屋蓋結構進行幾何非線性分析,得到結構整體穩(wěn)定性系數(shù)K=5.6,滿足《網(wǎng)殼結構技術規(guī)程》(JGJ61—2003)第4.3.4條K≥5的要求。若將全部拉索與撐桿去掉,使結構完全為一單層網(wǎng)殼時,結構的變形增加不多,但主要構件的最大應力比遠遠超限。這表明索對屋蓋剛度的貢獻不大,但索的預張力改變了整個單層網(wǎng)殼在荷載作用下的內力分布,使得主要受力構件的內力趨于平均,削減了內力峰值,使承載力得到提高。2.塑性p-3ga結構運用SAP2000結構分析軟件對弦支網(wǎng)殼屋蓋進行彈塑性極限承載力分析,取“恒載+半跨雪荷”作為基本荷載組合。在脊梁、徑向梁、環(huán)向梁每個節(jié)間的兩端預設生成塑性P-M3鉸,共600個鉸。同時,將全部拉索去掉,單獨將其上部的單層網(wǎng)殼進行彈塑性極限承載力分析,并與前者相比較。如圖10所示,弦支網(wǎng)殼的極限承載力明顯高于單層網(wǎng)殼。只有當荷載因子達到2.8時,主脊梁出現(xiàn)塑性鉸,結構的整體承載力才會明顯下降,直至失去承載能力?？梢娺@類新型弦支網(wǎng)殼在正常使用情況下的整體安全度是可以得到保證的。3.優(yōu)化結構設計(1)梁端緊固結增強穩(wěn)定為充分發(fā)揮雜交張拉結構的變形控制功能,在確定索初始預張力時,首先應考慮對結構整體剛度的調整和優(yōu)化,使結構頂點的反拱和下?lián)媳M可能接近;其次,由于斜索的作用主要是通過撐桿對主脊梁進行反拱并改善其內力分布,進而改善屋蓋整體的剛度和受力特性,所以,主脊梁應作為重點構件加以考察,使其在恒載作用下的彎矩圖呈鋸齒形,正負峰值彎矩的絕對值接近;此外,預張力應盡可能小,以減小施工難度。綜合分析比較后,確定斜索由外到內初始預張力分別為:1800,1100,600,300,100kN。(2)設置剛度大的空間桁架來消除主梁部成不同于北大體育館對支座的處理方法,本屋蓋結構未設置滑動支座,故須控制支座推力的大小。首先,外圈斜索的水平拉力極大減小了主脊梁處支座的水平推力;其次,在外環(huán)設置剛度較大的空間桁架,協(xié)調各榀主脊梁和徑向梁的受力,進一步減小支座推力;最后,將主脊梁和徑向梁的外端彎矩釋放,以避免支座因平衡彎矩而形成的水平力。在眾多因素的綜合作用下,屋蓋結構支座的最大推力只有180kN,完全可由下部混凝土柱獨立承擔。3福建省泉州市體育廳3.1曲面形態(tài)設計泉州市體育館共8000座席,規(guī)模達4.5萬m2,屋蓋呈異型橢球體造型,最大跨度達94m。與前述北大體育館類似,泉州體育館也屬于復雜的異型曲面造型(如圖11),由于沿長度方向形態(tài)和曲率變化較大,故曲面找形難度較大,同樣采用NURBS找形技術完成該屋面的曲面形態(tài)設計(如圖11)。比賽館屋蓋的結構體系,根據(jù)屋面的建筑形態(tài)及下部結構可以提供的支承條件選擇了張弦桁架支撐殼體。在平行對稱軸方向設置7榀間距12m的張弦桁架,桁架斷面為倒三角形。桁架下部設置拉索,通過撐桿與上部的桁架連接構成張弦桁架體系。在兩榀相鄰桁架的上弦之間,設置單層三向網(wǎng)格支撐,將平面的張弦桁架體系連接成具有空間剛度的張弦桁架支撐殼體。在屋蓋周邊設置外環(huán)空間桁架,增強屋蓋整體剛度。張弦桁架通過固定抗震球鉸支座和單向滑動抗震球鉸支座支承在下部混凝土圈梁上。3.2結構分析和優(yōu)化1.最大撓度、反拱以及滑動成支護滑程范圍考慮下部混凝土結構對比賽館屋蓋的彈性支承作用,進行整體建模,并用非線性方法對其進行靜力分析:結構在不利工況下的最大撓度和反拱分別為137.7和69.2mm,豎向剛度較大;滑動支座的最大內滑和外滑量均控制在50mm以內,滿足70mm的滑程限值;桁架尾部固定鉸支座處的最大水平推力為1200kN,通過在下部框架間設置斜撐桿加以抵抗,而桁架前端和兩側則通過設置滑動支座釋放位移來消除水平推力。2.時塑性區(qū)域分析由表3和圖12可知:屋蓋結構的塑性發(fā)展順序基本表現(xiàn)為從張弦桁架到支撐體系再到外環(huán)桁架,結構豎向剛度是逐漸、緩慢地減弱,表明該結構力學邏輯明晰,整體受力合理。屋蓋達到極限狀態(tài)時塑性區(qū)域主要集中在兩片:一是屋蓋中央部分的張弦桁架和支撐構件,該區(qū)域彎曲變形顯著,上弦表面的桿件受壓較大而最先進入塑性,進而使得屋蓋的豎向剛度和面內剪切剛度大大減小(對應圖12中的點b);二是張弦桁架拉索節(jié)點區(qū)域和支座節(jié)點區(qū)域的桿件以及外環(huán)桁架在支座節(jié)點區(qū)域的桿件,這部分則是由于各連接節(jié)點處較大的軸力而導致桿件進入塑性,而使得屋蓋的邊界支承條件不斷削弱(對應圖12中的點c)。結構最終達到極限狀態(tài)是由上述兩方面原因共同引起的,屬于強度破壞,此時荷載因子為3.18,表明該新型雜交張拉結構在正常使用時具有足夠的安全儲備。3.優(yōu)化結構設計(1)基于荷載的雙張力前面已介紹過雜交張拉結構體系中拉索預張力取值的基本原則,這里結合泉州體育館張弦桁架支撐殼體作進一步探討。首先,分別對拉索施加70,90,110kN三種預張力,作為三個對比模型。就變形而言,模型1在附加荷載與升溫作用下,支座向外滑移量過大;而模型3在風吸和降溫作用下,支座向內滑移量過大。就索力變化而言:模型1在最不利荷載組合下索中余留拉力過小,可能會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象;而模型3由于預張力較大,不僅給剛性子結構帶來較大的附加軸壓力的彎矩,也會給施工帶來不便。所以經(jīng)過優(yōu)選,施加90kN的預張力最為合理。另一方面,由于7榀空間桁架的曲率和跨度有所不同,若施加相同的預張力,則會造成各榀桁架在變形及支座滑移兩方面的差異較大,故從協(xié)調整體變形的角度,對跨度最小的邊榀桁架的拉索施加70kN預張力,其它5榀施加90kN,以達到最佳的內力和變形控制效果,以充分運用張弦結構卓越的自平衡特點,來改善結構整體性能。(2)交叉支撐體系的設計支撐體系不僅為張弦桁架提供側向支撐以增強其平面外穩(wěn)定性,同時也是重要的受力構件,協(xié)同7榀張弦桁架形成整體共同工作。在對多種支撐形式進行分析對比的基礎上,選擇了大尺度的“米”字型交叉支撐體系,從而保證了橢球型殼體的整體性。設置外環(huán)空間桁架,一方面為張弦桁架和交叉支撐在外端提供支承,使屋蓋各結構組份形成有機整體以協(xié)同抗力;另一方面也有效地提高了屋蓋結構的平面內剪切剛度,減小了支座的滑移量和水平推力,為張弦桁架自平衡特性的充分發(fā)揮提供了保證。經(jīng)比較,選擇剛度較大的空間桁架作為屋蓋結構的外環(huán)。4恒遠體育4.1橫向空間桁架組合、橫向交叉支撐體系復旦大學體育館(圖13)共5000座席,規(guī)模達1.2萬m2。屋蓋結構采用拱支承桁架殼體,上覆PTFE膜材。屋蓋主體部分包括6榀間距為12m的橫向空間桁架和一道縱向聯(lián)系桁架,通過外環(huán)桁架和屋面交叉支撐體系將其連成整體性較好的空間桁架殼體,支承于周邊混凝土框架柱頂?shù)娜α荷稀Ｎ萆w上空架立一跨度達100m的半圓形格構式拱,跨越整體體育館,其上輻射狀布置的斜拉索對屋蓋桁架殼體提供向上的拉力以起到卸載作用,增加殼體豎向剛度并有效防止其發(fā)生整體失穩(wěn)。此外,穩(wěn)定索為拱提供側向支撐,防止其發(fā)生平面外失穩(wěn)。整個屋蓋結構體系合理,力流途徑明確。4.2結構分析和優(yōu)化1.橫向風振作用在不利荷載工況下,格構式拱最大水平位移11.57mm,豎向位移29.2mm;桁架殼體最大撓度88mm,變形均滿足規(guī)范限值要求。說明斜拉索和穩(wěn)定索不僅保證了桁架殼體的豎向剛度,也有效提供了對格構式拱的側向支撐,整個結構受力合理。由于工程斜拉索和穩(wěn)定索均外露,直接承受風荷載,且長度較大,故橫向風振效應對結構的不利影響不容忽視。工程設計中,對斜拉索和穩(wěn)定索的第1階自振頻率進行了驗算,使其值均超過脫落頻率的25%,落在共振區(qū)外,從而確保外露的拉索不發(fā)生橫向風振。2.空間桁架穩(wěn)定性對結構進行幾何非線性穩(wěn)定分析(圖15),以“1.2恒載+1.4活載+1.4×0.7升溫”作為基本荷載組合,當荷載因子為14時,屋蓋因空間桁架出現(xiàn)較大平面外變形而達到穩(wěn)定極限。但此時,已有相當部分桿件的應力已超過材料的屈服極限。因此,該屋蓋結構的強度破壞先于整體失穩(wěn),表明結構的整體穩(wěn)定性較好。3.穩(wěn)定索張拉和格構式鋼拱的安裝作為屋蓋結構中最為關鍵的組份之一,拉索需在深入分析的基礎上確定初始預張力取值,并作施工張拉順序的優(yōu)化。在綜合考慮初始預張力對桿件及支座的影響以及溫度作用和橫向風振影響,對穩(wěn)定索施加少量