大跨结构应用实例

1、大跨结构应用实例1、国际会议展览中心国际会议展览中心位于市海珠区琶洲岛， 是市重点建设项目，首期工程用地面积48.9 万m2,总建筑面积39.6万m2,共有16个面 积1万m2左右的展厅，10700个标准展位， 是目前世界上单体建筑面积最大的展览建 筑(图412图415)。国际会议展览中 心主要部分为3层建筑，包夹层共有 7层。 架空层主要用作车库、展厅和设备用房，首 层和四层为展厅，二层为连接各个入口和各 个展厅的人行通道，三、五、六层为办公及 设备用房。首层的中部和四层的南部各有一 条贯通东西的卡车通道， 东西两侧各有一条 从首层通向四层的卡车坡道， 运送展品的集 装箱车可直达各个展厅。其

2、技术特点如下：(1)成功解决了超长混凝土结构不设温度缝的难题国际会议展览中心楼盖分为10个独立的单元，按建筑要求每个单元不可设缝，其长 度和宽度都超过了规关于温度区间长度的 限值，最大单元的面积达 90mx 163.5m。为 解决这个问题采用平面应力计算方法和有 限元三维计算方法对楼盖的应力进行了仔 细的分析，通过设置后浇带来减少前期温度 应力的影响，通过设置预应力梁和在温度应 力较大的区域增加配筋的方法来控制和抵 抗温度应力。这一做法获得成功，2002年12月建成投入使用至今，主体结构未发现肉 眼可见的裂缝。(2)巧用预应力技术，降低大柱网重荷载 的混凝土楼盖的造价国际会议展览中心四层展厅楼

3、面荷载重 达15kN/m2,柱网为30m< 30僧整个展厅的平面尺寸达86mx 126.6m。该层综合采用了 有粘结预应力梁（大跨度框架主梁）、无粘结 预应力梁（一级次梁）及在梁中加直线预应 力筋（二级次梁及其他需要部位）等多种预应力方式。通过精心设计预应力和非预应力 钢筋的比例及预应力拉控制值，使有效预应力的分布尽量接近理想预应力分布，因而各种材料的性能得到充分的利用，达到了既安 全又经济的目的，比外方提出的设计方案节 省混凝土 32912m3,节省预应力钢筋 2100t , 降低造价约3900万元（还未包括节省的普通 钢筋的造价）。（3）成功设计了国最大跨度的新型钢结构弦桁架结构国际

4、会议展览中心四层的 5个无柱大展厅 的屋盖采用预应力弦桁架结构。这是一种性 能优越的新型大跨度钢结构， 其截面的高度 很大，因而比同样用钢量的其他钢结构具有 更高的承载力，其上部受压，设计为三角形 钢管桁架，有很好的稳定性，其下部受拉采 用高强钢索，可以充分发挥钢材受拉性能好 的优势。围绕弦桁架的设计对其强度、刚度、整体 稳定性和拉索出平面的稳定进行仔细的分 析，对预应力的取值及预应力的施加方法作 了认真的考虑，对钢管桁架的相贯节点，索 与撑杆的连接节点，桁架端部与预应力索连 接的铸钢节点以及弯曲钢管的性能都作了 专题研究。精心的设计和研究使这一大跨度 结构获得成功，并为这种新型结构的推广打

5、好了基础，积累了经验。弦桁架每根重135t, 用钢量为71kg/m2。(4)在国首次将结构预警技术应用于建筑 工程结构预警系统是利用传感器和计算机，在重要结构的某些部位安装传感器，测量结构 的某些物理量一一加速度、速度、位移、应 力、应变等，将所测得的这些物理量传至计 算机，计算机根据这些物理量推断出结构的 工作状态。同时，计算机还可根据测量的历 史记录，推断出结构安全储备和结构的剩余 使用寿命。当结构的安全储备不足或结构的 某些量发生不正常的变化时，系统发出警 告，提醒人们对结构进行必要的维修加固或 采取其他应急措施以避免结构发生灾难性 破坏。国际会议展览中心弦桁架结构跨度达 126.6m,

6、为了保证其安全，尝试在上面安装 结构预警系统。该系统由硬件和软件两大部 分组成。硬件由三个加速度传感器 A1、A2、 A3及一个激光测距仪 S组成，布置在桁架跨中和跨度的1/4和3/4处。该系统的所有软件均自主开发，具有如下功能：实时测取结构的前三个固有频率；实时测取结构的位移和力以及结构的安全状态；定时将测量数据及主要分析结果存盘，形成结构工作的历史记录；迅速查看结构的工作历史记录。建筑结构预警系统在国是首创，在国外也未见报导。该系统的研发开创了建筑结构监 控方面的一个新领域，对保障大跨度建筑、 高层建筑等重大建筑的安全有极为重大的 意义。(5)推出一种新型的屋面结构体系国际会议展览中心二层

7、展厅和珠江散 步道的屋面面积近10万m2,不仅要求有很好的隔热、防水性能，而且要求有很好的装 饰效果。该屋面面积大，为双向弯曲的曲面 而排水坡很小，排水路线很长，最长的达 79项因此防水设计的难度很大。新设计的屋面结构体系由基层、面层和装 饰层构成。基层是压型钢板 +聚氨酯发泡板 十三元乙丙聚氨酯防水卷材组成的新型复 合板，它本身便有承重、隔热和防水三重功 能。和传统的夹芯板相比，它拼装后的防水 性能更好。在它的上面再做一层3600咬合的压型钢板面层，保证了整个屋面滴水不 漏。在基层上面设计了一种滑动支座，可以 让它上面长达138m无横向接缝的面层在温 度变化时伸缩自如。实践证明这种基层和面

8、层构成的屋面体系施工方便，隔热效果好， 防水可靠，可以推广应用到其他工程中。装饰层是建筑造型特别需要的，通过一 个特别的铝夹具固定在面层，这个特别的夹 具不需穿破面层，而能承受装饰板传来的施 工活荷载和风荷载。(6)开发一种新的抓点式玻璃幕墙国际会议展览中心有近 7万m2的玻璃幕 墙，统一采用竖向预应力钢索承受玻璃自 重，水平交叉预应力索承受风荷载的新型索 结构体系；采用新型的有良好隔热效果的镀 有低辐射膜的中空玻璃。玻璃的抓点摒弃了常见的四爪抓点，创 造了一种崭新的矩形抓点，这种抓点一样可 以固定相邻的四块玻璃的角点， 可以适应玻 璃的变形，也便于安装和更换玻璃，而外形 却十分简捷新颖。通过

9、有限元分析，并通过 荷载试验，证明这种结点安全可靠。(7)综合应用各种形式的钢结构，满足 现代建筑的造型要求采用两根双箱形截面的连续钢拱结构 +三 角形断面的连续立体钢管桁架结构，构成会 展中心标致性的构筑物一一中央车站罩篷；采用腹板上开椭圆孔的 H型钢曲梁结构，构成极具韵律感的卡车通道罩篷；采用立体钢管桁架+钢管摆柱，构成高大 宽敞而轻巧美观的珠江散步道屋盖和幕墙 承重体系；采用不带剪刀撑的钢管柱列+镂空的水平钢梁及支撑，勾画出会展中心“飘”的外 柱廊； 围绕设计开展专项研究， 取得一批成果。国际会议展览中心面积大、跨度大、荷载大，特别是屋盖结构的弦桁架跨度为国之 最。结构设计难度也较大，为

10、了保证结构安 全及设计合理、可靠，设计单位与华南理工 大学、大学、同济大学等单位合作，对一些新技术问题及设计难点问题进行了专门的 研究，其中包括：弦桁架性能的研究；空间结构大型铸钢节点的研究；弯曲钢管性能的研究；大直径钢管双 K形相贯节点的研究； 带摇摆柱的钢管桁架屋盖结构抗震性能 研究；结构预警系统的研究。这些研究包括结构计算分析及模型或 实体试验，在各方共同努力下，取得了一批 有实际意义的研究成果， 并应用于本工程的 设计中，不但保证和提高了本工程的设计质 量和设计水平，而且对提高我国建筑结构设 计水平做出了较大的贡献。2、新白云机场 GAMECO得机库(1)工程概况：本工程由维修机库、喷

11、漆机库、航材库 和与之配套的附楼组合而成，其中机库大厅长350m,进深100项 分为跨度100m 150m 的飞机维修区和跨度 100m的喷漆区，屋盖 下弦标高29m局部18nl机库屋面最大标 高为44m,三连续圆弧拱形屋面和前檐弧形 外挑勾勒出优美的建筑轮廓（如下图所示）。 该工程机库部分为大跨度建筑，结构特点是 高大空旷，屋盖呈三边支撑受力状态，柱顶 标高29项最大无柱空间的平面尺寸 250mx 80nl沿大门一侧350m完全开敞，除角柱外 仅布置两根边柱，屋盖自由边长度为 100m+150m+100m该机库的另一结构特点是 有多种移动维修设备悬挂在屋盖下弦，同时350m长机库大门完全悬挂

12、于屋盖自由边，其 悬挂荷载之大为国机库之首。因此本机库屋盖结构受力状态复杂，对变形控制要求高，结构方案选择须充分考虑结构的受力特性， 在满足结构强度、刚度和稳定性的同时，还 需满足悬挂设备工作运行和350m长的悬挂大门稳定的要 求。场区的抗震设防烈度为 6度，机库大厅 的安全等级为一级。抗震设防类别为乙类建 筑，结构抗震设计构造措施按 7度。机库的南、北、西三面均设有附楼，作 为机库的配套设施及辅助用房；机库大厅部 由于生产工艺的需要在大厅尾部设钢筋混 凝土平台。附楼及平台为框架结构，层数为 二至五层不等(局部六层)，主要柱网为 8m x 8m及8m< 12.5m。根据生产性质、建筑立

13、面需要及结构合理伸缩缝间距，以伸缩缝分 成10个结构单元。(2)设计、技术特点屋盖结构该机库屋盖采用多级桁架结构体系，桁 架沿纵、横向分级设置，由多层主、次桁架 形成空间受力体系。各级桁架按受力状态选 择其高度和腹杆布置形式， 并在不等高的各 级桁架上、下弦平面中分别设置水平支撑构 件。多级桁架结构体系受力关系明确、满足 变形要求，构造简洁、加工安装方便，且空 间杆件少，便于喷漆区屋盖结构截面通风管 道的穿行布置。另外在主桁架体系之上还设 计了屋面支撑系统，以满足建筑立面设计要 求.桁架结构体系中水平支撑系统的设计十分重要。大跨度机库建筑总高一般都 超过40m,水平风荷载及地震作用对结构都 会

14、产生很大的影响。由于机库特殊功能要 求，大门一侧全开敞，整个建筑的抗侧力构 件布置极不均匀，因此要求屋盖结构有良好 的整体刚度，能够合理、有效地传递和分配 水平力。该机库前部大门一侧沿 350m长共 布置了 4根受力柱，后部结合机头、机尾库 位置的限制，布置了两列共 32根受力柱， 柱距从845m不等。在屋盖结构体系中， 由于主、次各级桁架跨度及承受的竖向荷载 差异很大，因此各级桁架设计高度相差也很 大，形成了多层上、下弦平面，设计中在各 桁架上、下弦平面和高、低弦层相邻的斜平 面，分别设置了水平支撑构件，并将拱形屋 面系统最低区域的水平支撑与桁架相连接，加强了屋盖结构的侧向刚度和整体稳定，以

15、保证水平力的有效传递。同时，为配合建筑师的设计创作，在主 桁架体系之上另设计了 一套建筑屋面支撑 系统，包括钢柱、梁、橡条及钢柱的垂直支 撑和沿弧形屋面布置的水平支撑，构建成稳 定的3跨连续圆弧拱形屋面； 在大门上方还设计了檐口桁架，使檐口呈弧形外挑，勾勒 出优美的建筑轮廓，充分满足了建筑立面设 计的要求。大门是机库结构设计的特色之一，除应满足飞机进出空间要求之外， 大门还是整个 建筑外围护结构的一部分。 该机库大门开启 长度350m,最大开启高度25.5m。设计选用 了在国民用大跨度机库中未使用过的悬挂 上叠式膜材料大门。共 17扇门，每扇门最 大宽度20.784m。悬挂式大门的优点是轻巧、

16、 美观，无需门库大门可同时完全开启，相邻 门扇可对接，减少门占地，可充分利用建筑 面积。止匕外，悬挂式大门使各区段门高可依 据大型飞机进出安全高度而设定，在满足使 用要求的前提下可控制门高，节约能源，又 避免了传统推拉门上部设置小门的做法，简化施工，方便使用。但因其自重悬挂在屋盖前沿，给钢屋盖设计增加了难度，提高了对 门口桁架承载力和变形的要求。基础设计方案在基础方案的确定过程中，根据机库大 厅柱及附楼柱的受力特点和地质条件，对每个钻孔的土、岩层情况进行了认真的分析比 较。该机库地处珠江三角洲北部，为亚热带 覆盖型岩溶地区，水文地质条件极为复杂。 根据勘察报告，南侧多为全风化岩和强风化 岩，其

17、下的中风化岩层不连续，微风化岩岩 面起伏很大；北侧多为回填土、粉质黏土、 粗砂层，其下即为中风化灰岩和微风化灰 岩，岩性以砂岩、泥质粉砂岩、炭质页岩、 页岩、泥质灰岩、炭质灰岩为主。同时，建 设场地分布有大量的溶洞。整个机库南北长达400簿从机库到附楼， 仅柱底轴力设计值由 59843.3kN到400500kN变化，桩端（基础）持力层深度从 40 多米到基岩露头，只有经多方案比较并结合 不同的受力状况、土层分布采取不同的基础 方案，才能取得合理、经济的效果。典型的基础方案如下：机库大厅柱下的全强、 风化岩层厚度分 布不均且不连续，中、微风化岩层的岩面起 伏大，为保证机库主体结构的安全性，因此

18、确定机库大厅柱下均采用钻（冲）孔灌注桩。 6个主受力柱由于垂直和水平荷载大，为嵌 岩端承桩，持力层为微风化岩，桩径为。1000和。1200两种，桩进入持力层的深度 为1.5d（d为桩径）。其余机库柱为摩擦端承 桩或端承摩擦桩基础，持力层为中风化或微 风化岩，桩径为（）800,桩进入持力层的深 度为500mm北附楼及西北附楼由于其下多为粗砂层和粉质黏土层，无可靠的天然地基持力层，因此采取钻（冲）孔灌注桩，为摩擦端承 桩或端承摩擦桩基础，持力层为中风化或微 风化岩，桩径为（）800,桩进入持力层的深 度为500mm南附楼、西南侧、西侧中部附楼下多为 全风化岩和强风化岩层，基础是否可以选用 全风化和

19、强风化岩层做持力层 ？对此做了一 些深入细致的工作，进行了方案比较。但由于该场地的全风化岩、强风化岩有 其地区特点，遇水易软化和崩解，当基坑晾 晒时间过长时承载力会降低，其压缩模量E值较低，分别为7MP讲口 8MPa根据此值进 行独立柱基的沉降计算，如南侧附楼中柱采 用天然地基，持力层为强风化岩，计算出的 沉降值约为108mm而机库柱下为桩基础， 几乎没有沉降，两柱相距8解沉降差不满足框架结构0.2 %的要求。据此最终也采用钻 （冲）孔灌注桩基础。持力层为中风化或微风 化岩，桩径为。800,桩进入持力层的深度 为 500mm另外，对中、微风化岩露头和埋深较浅 的区域按独立基础设计，3640轴间

20、的西北 附楼有一层地下室，其下为中风化岩层，采 用筏板基础。由于机库柱底有较大的水平力，因此在 桩基础的设计中不仅要考虑竖向承载力，还要考虑水平承载力能否满足上部结构的要 求。还由于建设场地的地质情况比较复杂， 基岩面坡度较大。为了保证水平力的正常传 递和桩抗水平力的安全性， 加强基础的整体 刚性，增强结构整体的安全，在所有桩基础 间设置了基础梁，有柱问支撑的桩基础间设 置了钢筋混凝土压杆。另外，据了解地区无单桩水平静载试验方面的经验资料及试验数据，因此将0000和。1200的桩身配筋率控制在 0.65%以上， 使桩的水平承载力设计值满足柱底对桩基 础的水平承载力要求。3、国际会展体育中心本工

21、程为国际会展体育中心（如下图所示），位于市经济技术开发区，地理位置优 越。建设用地西临红旗大街，东临南直路， 南为长江路，北为黄河路，泰山路从场地穿 过。由于基地四周均为城市干道，基础设施 良好，交通便利、通达。张弦桁架结构简图本工程属超大型公共建筑，总用地 43.72hm2。建设总规模为：建筑面积 321943ml,五万人体育场。本工程集会议、 展览、体育训练与比赛功能为一体，建筑群 由三部分组成：1号工程为主馆，2500个国 际标准展位的国际展览中心、综合训练馆、 体育馆。2号工程为国际会议中心、宾馆， 含1800座会议厅兼剧场及多种规模的会议 厅；38层总高度169.7m的四星级宾馆。3

22、 号工程为五万人体育场。国际会议展览体育中心主馆纵向总长度为 618m,横向长度为128m（主跨大 厅）+20m（附属玻璃长廊）。建筑纵向两端为 附属功能用房，下部为混凝土结构，屋面结 构为两片曲面网架。建筑中部由相同的35根128m跨的弦桁架覆盖，桁架间距为15m共分成5个矩形空间，它们彼此互相独立， 左边3个矩形空间为单层展览大厅， 第4与 第5个矩形空间分别为训练馆和万人体育 馆。训练馆和体育馆部为 2层结构，部的楼 层为独立的混凝土结构，在传力上与屋盖主 体结构不发生关系。这5个矩形空间由前端 的20m宽玻璃长廊连接交通，该玻璃长廊为 轻型钢结构体系，整个主馆建筑四周均由玻 璃幕墙围合

23、。显而易见，128m跨的预应力弦 桁架是整个主馆结构设计中的关键容。国际会议展览体育中心 3号工程是一座5万人的国际标准综合体育场，体育场沿长 轴两边看台上方各有一片罩篷结构，这两片 罩篷结构形式完全相同。 该罩篷结构为三维 曲面造型，纵向长度为247.5m,横向最大长 度64.2m,每片罩篷面积约15000m2。1号工 程主馆用钢量为67kg/m2,3号工程体育场用 钢量为114kg/m2。其设计特点如下：主馆中央部分的5个独立空间单元结构 形式是相同的，只是根据建筑功能的要求每 个空间单元馆的桁架根数不同，下图给出了作为展览大厅的3个单元的具体结构布置。 每个单元由数根完全相同的弦桁架通过

24、支 撑系统连接成整体，由于弦桁架为平面受力 构件，跨度大并且刚度较弱，平面外需要有 强大的支撑。桁架间的支撑由5道均匀布置 的纵向刚性支撑和沿单元周边布置的平面 交叉支撑组成，其中纵向刚性支撑也为空间桁架形式。预应力弦桁架由前端的人字形摇摆柱 和后端的刚性柱支承，桁架与刚性柱之间连 接为固定较支座，摇摆柱使桁架与下部结构 间形成了理想的可动较支座， 使超大跨度的 弦桁架的整体受力形成理想的简支形式，这样可以很好地释放桁架中的温度应力，同时可以不对下部结构产生较大推力，大大简化 下部结构和基础结构的设计。前端的人字柱 既可以传递竖向力，又可以为建筑物提供足 够强大的纵向刚度，从建筑造型和结构受力

25、 上看都是比较理想的。大厅前立面玻璃幕墙的支撑桁架（抗风 柱）上端与弦桁架连接在一起，并采用了一 种专门设计的连接构造， 使两者间仅传递水 平向力，竖直向不传力，这样近 30m高的幕 墙支撑桁架得到可靠的水平支承，又可以不负担屋面的竖向荷载，使二者的受力都比较 明确。弦桁架上弦杆截面为。480X24,桁架 中部下弦杆件截面为。480X 12,接近支座 处下弦杆件为。480X24,材质为Q345B桁 架弦杆与腹杆间为相贯焊接连接。弦桁架拉 索选用439。7,截面面积为：16895mrh弦 桁架中拉索为高强度低松弛镀锌钢丝束，其抗拉强度为1570MPa拉索锚具采用 40Cr 钢。为了受力更合理，将

26、弦桁架的拉索锚固 端节点设置在桁架的形心处，使得拉索中的拉力由相交于一点的5根桁架腹杆直接传递 到桁架弦杆上，同时也简化了拉索锚固端节 点的构造。为了方便施工，弦桁架与摇摆柱， 弦桁架与纵向支撑问的连接大量采用了销 栓式连接。弦桁架中的一些受力复杂的关键 节点采用铸钢件，节点处避免了产生复杂焊接温度应力，如：桁架与索两端的连接节点、 索与桁架下弦杆件相交节点、桁架两端支座 节点等。本工程中的罩篷结构设计时，需要满足中标建筑方案的一些具体要求：(1)由于下部钢筋混凝土看台结构出挑 较大，不能为罩篷提供支座，罩篷结构的支 承结构要完全独立于看台结构；(2)建筑效果要求，罩篷支承点越少越好；(3)罩篷结构外观曲面平滑流畅，具有 较强个性，结构构件布置简洁明了，具有较 强观赏性等。为了达到以上目