收稿日期:2002-07-16作者简介:韩小雷(1963-),男,教授,主要从事高层建筑结构的研究.文章编号:1000-565X(2002)10-0111-04大跨度预应力钢结构屋盖体系设计韩小雷 杨 春 季 静 陈庆军 郑 宜 林 鹏(华南理工大学建筑学院,广东广州510640)摘 要:介绍广东现代国际展览中心大跨度预应力钢结构屋盖体系结构设计,重点论述该结构体系的计算模型处理、结构设计方法和结构体系优化设计,得到一些有意义的结论.关键词:结构设计;大跨度结构;预应力钢结构;网架结构中图分类号: 文献标识码:A1 工程概况广东现代国际展览中心属广东省东莞市标志性建筑,总占地面积约15万m 2.主馆平面形状似长方形,展厅主要部分为一层结构,两边局部为二层结构.展厅首层建筑面积约4.5万m 2,二层建筑面积约1.3万m 2,附房建筑面积约1.4万m 2,总建筑面积约7.2万m 2.展览馆建筑使用功能要求内部为大空间,利于展厅灵活布置.展览馆建筑图见图1.图1 展览馆建筑图F ig.1 Ar chite ctur al dr aw ing o f e xhibitio n building 在满足建筑外观及使用功能要求的基础上,展览馆的支承结构采用钢筋混凝土柱,屋面采用预应力大跨空间网架,其规模是目前国内最大的建筑网架屋盖,柱混凝土强度等级为C35,屋盖钢结构的钢材主要采用Q235钢.基本风压值取0.6kPa,风压系数由风洞试验确定.抗震设防烈度为7b .2 支承结构体系设计支承展厅网架结构为32根钢筋混凝土柱,分列两排,跨度90m,沿跨度方向网架向两边分别悬挑约30m.中间8根柱截面为2200mm @2600m m,柱间距为30m;两边24根柱的截面为1400m m @1600m m,柱距为21m.纵、横向柱列采用排架计算模型进行内力计算,柱底与基础为刚接,柱顶与网架为铰接,假设网架平面内刚度无穷大,纵向力学计算模型如图2所示.柱所受荷载包括结构及设备自重、屋面活荷载、风荷载及地震作用.根据荷载效应组合下柱的最不利内力进行截面配筋、结构抗侧移刚度验算以及基础设计.图2 排架柱计算模型示意图F ig.2 Sketch o f c alcula ting m odel of bent c olumns通过计算,柱底最大轴力约为12000kN,最小轴力约为6500kN,最大弯矩为12000kN #m,属于大偏心受压,截面2200mm @2600m m 柱纵筋为华南理工大学学报(自然科学版)第30卷第10期Jo urnal of So uth C hina Univ ersity o f Techno logyV o l.30 N o.102002年10月(Natur al Scie nce Editio n)O ctober 200236<40+40<32(Ò级钢),箍筋为<14@150(100)(Ò级钢,十肢箍);截面1400m m @1600mm 柱纵筋为20<32+16<28(Ò级钢),箍筋为14@150(100)(Ò级钢,四肢箍).柱截面配筋示意图如图3所示.图3 柱截面配筋示意图F ig.3 Sketch o f r einf or cement o f column se ctio n根据场地的地质勘察报告及附近已建建筑物基础设计的有关资料,并结合当地的实际情况,柱下采用人工挖孔桩基础,桩径为1.3m,桩端放大头直径为1.9m,设计桩长约为15~20m ,桩端支承于中风化泥质砂砾岩,岩石天然湿度的单轴极限抗压强度不小于6MPa,桩端嵌入岩层内不小于1.3m,桩身混凝土强度等级为C30,纵筋20<20(Ò级钢)通长配置,箍筋<8@300(Ñ级钢),单桩竖向承载力设计值为8000kN.根据柱底最不利内力组合,同时考虑桩身侧向稳定要求,柱下均采用四桩台基础,承台尺寸为5.9m @5.9m @1.2m,桩中心距为3.3m.通过计算,在各种工况组合情况下桩均不受拉力作用,满足承载力及沉降变形要求.3 屋盖结构系统设计展厅屋盖结构系统采用带拉杆的预应力大跨空间网架结构,下部32根钢筋混凝土柱作为网架的支座,同时在每根钢筋混凝土柱顶设置一根长约15m 的箱形钢柱,截面为800m m @600mm ,钢板厚度分别为22mm 和12mm.在钢柱顶与距网架支座25m 处之间设置圆钢管拉杆,拉杆截面为<351mm @14mm ,相应在钢柱外侧设置平衡拉杆,平衡拉杆经过悬挑部分网架的焊接球节点锚入地下抗拔桩内(见图1、图4).为了防止拉杆拉力对下部钢筋混凝土柱产生过大的附加弯矩作用,钢柱底与钢筋混凝土柱顶采用双向铰接处理,拉杆与网架焊接球节点的连接也采用单向铰接,节点大样如图4.为了保证钢柱平面外的稳定,钢柱在平面外设置预应力拉索.拉杆的抗拔桩采用人工挖孔桩.经过计算,中间部分网架拉杆的最大拉力为3200kN,两边低网架拉杆的最大拉力为2000kN.根据拉杆的拉力大小,抗拔桩桩径分1.3m 和1.5m 两种.桩径为1.3m的抗拔桩,桩端放大头直径为2.1m,设计桩长约为15~20m ,桩端嵌入中微风化砂砾岩,岩石天然湿度的单轴抗压强度不小于12M Pa,桩端嵌入岩层内不小于2.5m ,桩身混凝土强度等级为C30,纵筋28<25(Ò级钢)通长配置,箍筋<8@300(Ñ级钢),单桩竖向抗拔承载力设计值为2100kN.桩径为1.5m 的抗拔桩,桩端放大头直径为2.7m,设计桩长约15~20m,桩端嵌入中微风化砂砾岩,岩石天然湿度的单轴抗压强度不小于12M Pa,桩端嵌入岩层内不小于2.5m,桩身混凝土强度等级为C30,纵筋43<25(Ò级钢)通长配置,箍筋<8@300(Ñ级钢),单桩竖向抗拔承载力设计值为3400kN.拉杆的拉力通过拉杆锚入桩头混凝土内2m 传递给抗拔桩.为了加强传递效果,在锚入部分的拉杆表面焊接4根<25螺纹钢筋,同时在拉杆端部设置端板,连接部分桩的箍筋加密.拉杆与抗拔桩连接节点大样如图5所示.图4 钢柱、拉杆节点大样示意图F ig.4 Sketch o f jo ints o f steel c olumn and draw bar图5 拉杆与抗拔桩连接节点大样示意图F ig.5 Sketch o f joints of dr awbar and pullr esisting piles展厅网架总平面为379m @154m,长向分为三段.网架覆盖总面积约为5.5万m 2,节点采用螺栓112 华南理工大学学报(自然科学版)第30卷球,个别节点采用焊接球,网架形式为正放四角锥,网格的基本尺寸为5m @5m ,上面铺轻质的夹芯彩色钢板.网架的两边柱点支承,钢筋混凝土柱顶钢柱伸出屋面,钢管斜拉杆与之相连接.中间的部分为高网架,而两边则为低网架.高网架厚度为3.5m,低网架厚度为3m.展厅网架的平面图及剖面图如图6(a),(b)所示.图6 网架结构图Fig.6 D ra wing o f lattice fr amed str uct ure展厅网架荷载包括恒荷载、屋面活荷载、风荷载、地震作用及温度荷载.恒荷载分为网架自重、上弦静载和下弦静载.网架自重由计算机自动生成,上弦静载标准值为0.3kN/m 2,下弦静载标准值为0.7kN/m 2;屋面活荷载标准值为0.5kN/m 2;基本风压p W 取0.6kPa,风压分布参照风洞试验结果取值;地震烈度为7b ;温度荷载为?25e .网架选用材料如表1表示.表1 网架构件材料选用表T able 1 M ater ia l ta ble o f mem ber s o f latt ice f ram ed structur e构 件选用材料钢 管Q235A 高频焊接钢管和20#优质碳素钢无缝钢管钢 板Q235B 钢钢 球45#优质碳素钢高强螺栓40Cr10.9级([M 36)和9.8级(\M 39)网架内力、变形及杆件截面采用SFCAD2000网架设计软件进行计算设计.网架杆件设计应力取第10期韩小雷等:大跨度预应力钢结构屋盖体系设计113195MPa,拉杆长细比[200,压杆长细比[180.经过计算,杆件设计截面主要为<75.5m m@ 3.75m m和<88.5m m@4m m两种,约占杆件总长度的60%,螺栓球直径主要为<100~200m m之间.展厅网架总用钢量约2450t,单位面积平均用钢量44.5kg/m2.低网架跨中最大的弹性计算竖向位移为140mm,高网架跨中最大的弹性计算竖向位移为160m m,满足规范位移限值要求.根据一次加载得到的网架节点弹性位移值,对展厅网架进行了几何非线性计算.通过对网架杆件及拉杆内力的计算结果分析对比,二者相差甚微,所以作者认为在本工程实际设计中可以不考虑结构几何非线性对结构内力变化的影响.4设计总结(1)本结构设计的特点是上部预应力网架结构通过两侧的拉杆锚在桩上而形成一个自平衡体系,在竖向荷载作用下,屋盖传给支承结构柱仅为竖向轴力而没有弯矩和剪力.(2)设计中,钢柱柱脚铰接的选择对于优化结构受力非常关键.钢筋混凝土排架柱柱顶离地面高度最高约24m,水平力产生的弯矩非常大,柱处于大偏心受压状态,造成抗弯纵筋配筋量多.钢柱高度最大为15m,如果钢柱柱脚刚接,钢柱顶的水平变位将在钢柱底产生很大的附加弯矩作用,该作用直接传递至下部钢筋混凝土柱,势必造成更大的偏心作用.所以,通过将钢柱柱脚设置为铰接,大大减小了钢筋混凝土柱的弯矩作用.(3)为了保证钢筋混凝土柱上部的钢柱沿建筑长方向的稳定性,在该方向上施加了预应力索以保证钢柱的平衡.参考文献:[1]G BJ10)89,混凝土结构设计规范[S].[2]G BJ17)88,钢结构设计规范[S].[3]G BJ11)89,建筑抗震设计规范[S].[4]JG J7)91,网架结构设计与施工规范[S].[5]G BJ9)87,建筑结构荷载规范[S].Structural Design of Long Span Prestressed Steel Roof Syste mHan Xia o_lei Ya ng Chun Ji Jing Chen Qing_jun Zheng Yi Lin Peng(C olleg e o f A rchitecture&C ivil Eng ineer ing,South China U niv.o f T ech.,G ua ng zhou510640,China)Ab stract:The structur al design of the lo ng spa n presressed steel r oo f system o f Guangdo ng M odern Inter na tio nal Ex hibitio n Center is intro duced.The selectio n o f com puting m odel,structural design methods and the optim iza tio n of the design are presented a nd analy zed.Som e significant conclusio ns a re made.Ke y words:structural de sig n;lo ng span structure;presressed steel structur e;la ttice fr amed structur e 114华南理工大学学报(自然科学版)第30卷。