某展览中心屋面网架结构设计与施工

国际展览中心屋顶网架结构的设计与施工项目概况展厅屋顶的垂直投影尺寸为379米，最大水平投影尺寸为154米，投影面积约为5.5万平方米。它被分为三个区域A、B和C，是目前中国最大的专业家具展览中心。屋盖采用斜拉弧形网格结构，屋盖向外伸出，网格采用四角锥螺栓球节点形式，纵向柱距A、C区21m，B区30m，跨度方向90m。钢管拉杆沿跨度方向布置，预应力索纵向布置，竖向钢管锚杆布置在跨度方向的大悬臂端与地下基础连接，网架通过钢管斜拉杆和预应力索悬挂在与下部钢筋混凝土柱连接的箱形钢柱上。展览中心跨度大、柱少、有效使用面积大，取得了良好的使用效果和经济效益。同时，由于展览中心雄伟的建筑风格，建成后成为当地标志性建筑之一。图1是屋顶网格的平面布局和截面图。图1屋顶网架的平面布置和剖面图结构设计根据本工程的特点，作为大型展厅，除了考虑建筑结构的美观外，还必须考虑其经济性和实用性。大空间不会增加太多成本。展览馆里的柱子越来越少了。建筑造型应该体现现代感。建筑师希望屋顶采用弧形变厚度结构。横向支撑柱的跨度要求为90m，柱外侧悬挑21 32m。根据上述要求，经过分析比较，决定采用斜拉杆网架的屋面结构体系。由于一般大跨度斜拉网格结构没有后平衡，钢筋混凝土柱的截面必须做得很大，这往往不美观也不经济。本工程可采用两边平衡的斜拉杆，并在悬臂端(外墙边缘)设置竖向锚杆，使结构体系非常合理。网格采用四棱锥弧形变厚度形式。由于屋面斜拉杆，90m跨度中间的厚度只有3.5m。考虑到斜拉杆连接的方便，支撑柱上部为钢结构，大型钢筋混凝土柱延伸至网格内，上部16m由钢柱连接。钢柱和钢筋混凝土柱被设计成铰接的，以最小化屋顶对柱的弯矩。斜拉杆作用力大，结构上不需要预应力。设计考虑到施工方便，采用无缝钢管拉杆代替钢丝绳。由于高低跨连接处的低跨网架不能设置斜拉结构，所以在高低跨网架之间设置竖向拉杆，使A、B、C区的网架协同工作，避免了低跨网架开口端的大跨度。在对钢柱、拉杆和屋架结构进行分析时，整体计算表明，共有5597个节点和21350个杆件。采用SFCAD2000进行优化设计。分析结果表明，除少数杆件用拉杆连接外，网架结构的杆件受力不大，基本上可以用螺栓球节点连接。对于拉杆与网格球节点的连接，由于拉杆的最大拉力为4170kN，焊球也不能满足应力要求。在设计过程中，考虑在球内增加穿透肋板以传递力。经过研究，采用了图2所示的焊球和钢管之间的连接细节。焊球由Q235B制成，50020的两个半球分别连接有60毫米厚的连接板。连接板通过100轴销(45#钢)与钢管端板连接。连接钢柱的拉杆截面分别为35114、35116和35120，连接基础的锚杆截面分别为40220、35114和35116。拉杆的长度超过了屋面外钢柱高16m，设计初期考虑80025圆钢管截面。由于圆钢管截面的各向同性，焊接连接节点易于处理。然而，在中国，钢管的种类很少，施工周期也相对较短。经过设计分析和计算，改用截面为80060022的箱形钢柱。在斜拉杆与箱形钢柱的连接处以及网架节点与箱形钢柱的连接处增设肋，防止钢柱受拉变形。拉杆与箱形钢柱的连接处使用两块肋板，因为这里的最大拉力超过4000千牛顿。此外，附加肋板和钢柱之间的连接在切割口以相同的强度焊接。在该区域附近，箱形钢柱钢板的对接焊缝均为一级焊缝钢柱与网格的连接详见图2节点详图。网格上弦通过半球与箱形柱连接。箱形柱的底部相当于网架的铰接支架。箱形柱的底板由-1200100036钢板制成，底部设有-110090080弧形压力支架。总共提供20-M30带弹簧的柱脚螺栓。图2钢柱拉杆接头示意图为保证屋面断面的平面外稳定性，钢柱之间采用小预应力十字钢索作为柱间支撑。斜拉索采用19s5预应力钢丝束张拉，张拉时控制钢丝束的张拉力为30kN40kN。钢柱的一侧设有固定端，另一端设有拉紧端，使整个结构达到几何稳定性。详见图3。屋顶上的荷载包括网架的自重、金属屋面板、吊顶、马道、活动窗帘和活载。本工程屋盖形状复杂，为确定风荷载值，进行了风洞试验。试验表明，屋面风荷载主要为负风压。根据结构应力计算，风荷载对结构内力没有控制作用，只影响悬臂端的网格构件。由于结构在长度方向和宽度方向的尺寸较大，需要计算结构在温度变化情况下的内力和位移，设计中考虑了25的温度变化。在最不利的组合荷载下，网格节点的最大挠度为130 mm，不考虑活载时，网格的竖向挠度仅为90mm，悬臂端网格的挠度为15 mm，分析后发现这种形式的斜网格刚度较好，整体水平变形较小。网格结构的网格尺寸较大，基本网格尺寸为4.2m5m。为避免钢筋运输和安装过程中的变形和失稳，最小钢筋截面为75.53.75。通过设计优化计算，网架最大杆件截面规格为24520，高强度螺栓规格为M20M64。图3预应力索节点示意图三格结构由于本工程结构形式的特殊性，施工前制定了详细的施工组织设计方案。网架的整体施工方法是分区分段对称安装、固定胎架、滑动工作平台和局部吊装相结合。在每一节的施工中，首先在斜拉杆和焊球的连接处设置一个固定胎架。斜拉杆加载前，该胎架作为网架的支点，应满足结构受力要求，使拉杆安装方便、准确。由于跨度大，轮胎框架承受很大的载荷，在安装前要严格计算。对于网架的其余部分的安装，全脚手架(悬垂部分)和滑动工作平台(室内部分)以散装形式组合。钢柱的安装使用40T汽车吊将钢柱提升至混凝土柱顶部。全站仪用于钢柱的调平和矫直，钢柱与混凝土柱顶连接固定。斜拉杆由80T履带吊安装，预应力十字拉索安装在斜拉杆上2.设计采用了一种新型的钢柱与混凝土柱支撑的连接节点，可有效降低下部结构的弯矩。在钢