中大跨公众建筑结构实例分析

中大跨公众建筑结构实例分析摘要众所周知，中大跨公共建筑结构与建筑有着密切的关系，建筑的形象，构筑，建筑的空间，都与结构形式息息相关。结构本身制约着建筑的外观造型，影响着建筑的构筑方式以及建设成本，在一定程度上影响或限制了设计师的构思。但是，如果掌握各种结构形式的特点并很好地利用，就可以由被动变主动，创作出别具特色的建筑作品。总之，建筑与结构在大空间公共建筑设计中有着很强的依存、制约和促进的关系。关键词大跨度索膜结构结构设计有限元分析防倒塌分析风致响应应力位移在我国，自从实施改革开放政策以来，大空间建筑发展迅速，并出现了很多闻名世界的建筑。其中，体育建筑，博览建筑，交通建筑，都以其特殊的造型和结构形式被人们所熟知。各种大空间建筑的出现，都对空间结构和建筑材料以及建筑技术有着更高的要求，这些要求推动了结构等方面的不断进步。现实表明，大空间建筑的构筑都与结构形式关系密切，不同的结构形式有着各自的特点，我们只有掌握了它们的优点和缺点，才能更好的利用它们，创作出更好的作品。中大跨公众建筑结构的分类一、网架结构优点用钢量比桁架等平面结构少得多，重量轻，施工简便（螺栓球节点），工期短，造价低，抗震性能好，刚度大等等。适用范围广泛，小至一二十米的雨篷，大至上百米的屋盖。网架结构对建筑平面空间布局的制约相对较小，外观轻快平直，对建筑体型影响也较小，给建筑创作留有较大的构思余地。发展现状在我国，经过多年的研究和大量实践的检验修正，网架结构设计理论已比较成熟，并培育了比较强大的设计和理论研究队伍，足以胜任各种网架结构设计任务。施工技术较成熟，经验丰富，并形成了专业化生产和施工的厂家。二、网壳优点靠空间体形受力，工厂生产构件现场组装的施工方便、快速，受力合理，刚度大，自重轻，体形美观多变，技术经济指标好。形式球面网壳、双曲面扁网壳、柱面网壳、扭网壳（双曲抛物线面网壳），并有多种组合形式。缺点因为网壳结构只有保持合理的空间体形才具备受力合理的特点，所以，对建筑的平面空间形状有很强的制约作用，对建筑体形有决定性的影响。三、悬索结构受力特点将结构内力的拉压分开，分别由长于受拉的钢索和长于受压的钢筋混凝土或木结构承受拉力和压力，发挥各自专长。优点受力合理，耗材省。建筑轮廓流畅，形体优美。我国发展现状轮辐式双层索系、双曲抛物面索系、索桁架平面索系、索桁架空间索系、单层平面索系、伞形单层辐射索系、悬挂索网、斜拉屋盖，以及组合式索网屋盖。四、薄膜结构优点材质轻薄透光、表面光洁亮丽、形状飘逸多变。缺点膜材造价较高，使用寿命相对较短。中大跨结构发展的动因和条件1、经济发展和社会需求2、材料3、计算理论4、计算工具5、施工技术建筑与结构之间的关系大空间公共建筑与结构的依存和制约关系十分显著，其强度远大于一般中小跨度建筑，其关系更应深入探讨。结构对建筑的制约其主要表现1空间和形体2界面和形象3形式美的表达（一）建筑与结构的相互促进大空间公共建筑对结构的最主要要求就是形式多样化，为建筑创作提供得心应手的手段，这是建筑对结构的最大促进。反之，当结构技术取得突破，就为建筑设计创造了更大的创作余地，促进建筑的发展。（二）结构与建筑的相对关系建筑创作的核心在于创造人工空间，满足人们的物质和精神需要，结构创作的核心是实体，是构筑空间的有形物质。空间与实体相互依存，但空间是主角，是建筑的目的，实体是服务于空间的物质手段。可见其主从地位分明。（三）结构与建筑的矛盾建筑创作贵在创新，个性化则是其重要的体现。个性化要求不仅在于它与周围其他建筑应有明显的区别，更在于它与同类建筑相比有自己的鲜明个性，不落雷同，这可能是大空间公共建筑创作的最大难点。建筑个性化创作直接涉及到结构，要求结构形式灵活多样，为建筑创作提供较广泛的自由选择和加工改造的余地。然而，现实情况是流行的结构形式同需要相比很有限，同多样化的需求差距较大，矛盾比较突出。这或许就是大空间公共建筑与结构的最本质的矛盾。中大跨建筑结构的组成1、屋盖结构覆盖大空间且直接承担屋面荷载的结构2、支承结构支承屋盖结构并将力传给基础的结构。3、基础与地基直接接触并承接上部结构作用的结构或构件。（一）屋盖结构减小结构自重、提高结构刚度是结构选型和优化设计的目的所在。屋盖结构是大跨建筑土建投资的重点，对经济指标的影响比重也最大。屋面的覆盖方式包括全覆盖和半覆盖。（二）支承结构支承体系的设置与屋盖结构的选型设计直接相关。主要是为了提供竖向支承，还通过被动约束方式来限制其整体性水平位移。（三）基础基础采用何种形式、提供何种反力，与上部结构有着密切关系。中大跨建筑实例分析1深圳宝安体育场屋盖索膜结构设计A工程概述深圳宝安体育场总建筑面积10049M2，可容纳35000名观众，建成后将成为一座集比赛、训练、演出等功能于一体的规模巨大、设施先进的综合体育场，并承担2011年深圳国际大学生运动会的足球比赛项目。环绕体育场的280根绿柱好似一根根挺拔的翠竹，而屋盖大面积的膜材结构犹如腾于这片“竹林”之上的浮云，整个结构与足球绿茵场融为一体图1，既很好地诠释了足球比赛的真谛，又充分体现了中国岭南建筑的特色。2结构体系组成及结构特点结构体系布置及单元轴测图见图4、图5。21外压环和内拉环本屋盖结构共有一个外部的压环，两个中央的拉环。外部的压环呈马鞍型，其高点和低点之间的高差为965M。采用“目”字型截面1800MM1100MM，翼缘厚25MM，腹板厚35MM，竖向加劲肋板厚30MM。中央上部的拉环由夺706的全封闭索组成，下部的拉环则为巾906的全封闭索。22索桁架整个屋盖共有36榀索桁架，其上径向索为夺75，下径向索为卡95，7根悬挂索均为20。索桁架与内拉环相交处设承压的“飞柱”，其截面为夺37510。两个内环的预应力在上径向索和下径向索中产生拉力，并传递到外压环上，形成自锚体系。径向的索桁架不仅能将整个屋盖的荷载传递到外部的拉环23膜结构屋面的膜结构包括仅承受拉力的膜材和其支承结构体系。支承结构采用拱的形式，通过定义合适的平面和拱高可以得到膜结构受力所需要的双曲面。膜结构将荷载传递到支承拱结构，同时在拱的两边加上预应力拉索保证相邻受压拱的平衡。拱脚处采用铰接的形式，一方面有利于膜结构和拱支承的协同工作，另一方面当拱两侧的膜材受到不同的7结论轮辐式索膜结构具有自重轻、受力合理、材料性能充分发挥和施工快速等优点，因此十分适用于超大跨度结构，其控制荷载一般为风荷载而非竖向荷载，尤其风的作用为不平衡的非对称作用时。作为一种自平衡体系，索膜结构的找形工作是其他计算的基础，从工程角度出发，采用非线性有限元法找形是较为有效的手段之一。在动力计算时其广义特征值必须考虑初始应力矩阵的影响。实际上，在风荷载作用下，柔性的索膜结构会表现出许多与普通刚性结构不同的动力特征，需要进一步研究探讨。2世博轴大跨度索膜结构设计摘要世博轴及地下综合体工程是2010年上海世博会园区标志性建筑之一,其顶棚结构由阳光谷钢结构和索膜结构组成。索膜顶棚采用了连续张拉式柔性结构体系,具有大跨度、大位移、几何非线性特征较强等特点。通过研究膜材安全系数的取值、风致响应、膜面位移控制的取值方法等问题,明确了膜结构的设计原则。通过多个程序的计算分析,研究了膜材的长、短期荷载组合下的应力、变形。膜面最大应力满足设计要求,最大位移不影响建筑使用。通过结构在小风下的膜面位移分析、局部倒塌分析,论证了结构的舒适性、安全性。1工程概况2010年上海世博会世博轴及地下综合体工程,位于世博会浦东园区核心,南北长1045M,东西宽地下9951105M,地上80M。世博轴顶棚包括两个不同类型的结构体系索膜结构和6个建筑造型独特的钢结构阳光谷,6个阳光谷共提供给膜结构18个支撑点,将两者结合成整个顶棚结构图1、2。索膜顶棚覆盖了105M标高平台层的大部分空间,起到遮阳挡雨的功能,满足大量人流安全、舒适地从地上出入园、等候、安检、票检、休憩餐饮的需要。膜面结构造型轻盈优雅,与通透挺拔的阳光谷浑然天成。2结构体系索膜顶棚采用连续的张拉式索膜结构体系,总长度约840M,最大跨度约97M,膜面总投影面积约61000M2,展开总面积约65000M2,单块膜最大展开面积约1800M2,膜面单元一般呈三角形。膜材采用A级PTFE膜。索膜结构边索单跨最大约80M,脊索最大跨度约115M,为大跨度柔性结构。膜顶主要由承重作用的脊索、边索和稳定作用的张拉膜构成图6,1根边索、2根脊索和膜形成了三角形为顶面的倒锥台状,膜面为双向曲面,膜焊缝主要沿经向放射形布置。整个膜顶支承于外桅杆、内桅杆及阳光谷钢结构上。索膜结构的最高点由26组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成,最低点由19组内桅杆下拉点、5组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成。外桅杆一般高度为35M,紧邻中间4个阳光谷均有1根较低的外桅杆高度为17M,阳光谷SV5、SV6之间外桅杆高度为38M。下拉点处,膜在18M或21M标高处固定在下拉钢环上钢环直径5M,钢环支承于内桅杆。内桅杆的增设,主要控制风荷载作用下膜下拉处的水平位移及向下位移。内桅杆与外桅杆顶部由水平索连接,水平索的增设,协调了内外桅杆的水平位移,由背索、外桅杆、水平索、内桅杆、外桅杆、背索形成了稳定的结构体系。内桅杆顶部设斜吊索与谷索相连,以控制膜的向下位移。索膜顶棚两端4片膜为四边形,每片膜对角线设有1根抗风索。支于边索的膜片上设有1根抗风的短谷索。外桅杆后背索最粗,为155,脊索为110,边索为70,谷索为65。5结论世博轴索膜顶棚采用了连续张拉式结构体系,具有大跨度、大位移、几何非线性特征较强等特点,通过对结构体系一系列的研究和分析,结论如下1通过研究膜材安全系数的取值、风致效应、膜面位移控制的取值方法等问题,明确了膜结构的设计原则。2通过两个程序的计算分析,研究了膜材在长、短期荷载组合下的应力及变形。膜面最大应力满足设计要求,最大位移不影响建筑的使用功能。3通过结构在小风下的膜面位移分析、局部倒塌分析,保证了结构的舒适性、安全性。3延安体育场东西看台设计1工程概况延安体育馆是革命老区延安市2005年的重点工程之一，其中东西看台采用了膜结构这种新型空间结构形式。建成后成为整个体育场工程的亮点，为建设部门带来了较大的经济和综合效益。A看台平立面图B支承结构设计支承结构的主受力构件为变截面平面桁架结构。C结构基本单元计算简图附杆和弦杆之间的连接按铰接节点，主弦杆与主柱之间按刚接节点，立柱柱脚按刚接支座，后撑杆底部按铰接支座。延安体育馆东看台膜结构工程包括11个高低不同的骨架式张拉伞膜，支撑伞膜的钢结构构件均固定在一排弧形排列的看台混凝土柱上，膜最高点距离地面262米，相邻膜片边索形成的弧线顺次连接。在膜的下部，相邻膜片边索形成的弧线顺次连接在一起，形成了类似于陕北窑洞弧线的立面造型。本工程膜曲面起伏变化较大，在找形和布置裁剪线时均注意到这个特点，合理控制曲面展开误差，因此效果较好。东看台膜结构的采用在建筑视觉上减弱了入口处立面的单调和沉闷感，带来了有韵律的变化和丰富创意，为整个体育场建筑增色不少。桁架端部钢索膜连接做法3膜裁剪设计膜结构的节点设计是整个结构设计中的一个重要环节，节点设计是否得当，不仅关系到加工制造的难易程度和施工安装能否顺利进行、影响节点的耐久性和美观程度，还关系到结构的整体安全性和可靠度。4小结1膜结构的节点设计是整个结构设计中的一个重要环节，节点设计是否得当，不仅关系到加工制造的难易程度和施工安装能否顺利进行、影响节点的耐久性和美观程度，还关系到结构的整体安全性和可靠度。2膜结构的