无锡大剧院屋顶钢结构设计（专业论文）

1、无锡大剧院屋顶钢结构设计张良兰（上海建筑设计研究院有限公司 ，上 海）摘 要 ： 无锡大剧院屋顶钢结构采用 管 桁架空间结构体系 ，其 中 大 跨 度 、大 悬 挑 、曲线杆件等均为非常规设计 。 对 该结构的设计理念及技术 进 行了全面的阐述 ，如结构体系的选择 、设计难点及重点部位的 处理技术等关键问 题 ，旨在给类似项目提供一定的借鉴 。 通过对结构的 详 细 计 算 分 析 ，表明该项目对结构特殊部位的处理 方 式 是 合 理 的 ，既满足了结构受力和变形性能的要求 ，同 时也极大地迎合了业主和建筑师对建筑效果的追求 。 通 过对结构风洞试验和节点试验的研究 ，进一步验证了结构设计和节

2、点设计的合理性和安全性 。关 键 词 ： 空 间 结 构 ；管 桁 架 ；大 跨 度 ；大 悬 挑 ；曲 线 杆 件 ；相 贯 节 点中 图 分 类 号 ：，文 献 标 识 码 ：文 章 编 号 ：（）（，），）： ， ， ， ， ， ：；为 重 要 的 新 文化艺术中心及地标建筑 。 另 一 方 面 ，这 些屋 顶“翅 膀”也是生态概念的 一 个 重 要 部 分 ，它 们 为 其 所 覆盖的建筑提供了遮阳功能 。工程概况建 筑 设 计 理 念无 锡 大 剧 院 位于江苏省无锡市南部的太湖新城 ，地处 五 里 湖 之 滨 。 该建筑将具备一系列功能 ，其 中 最 重 要的 是 用 于 古 典

3、及 中 国 歌 剧 、芭 蕾 、交 响 乐 等 演 出 ，可 容 纳个 观 众 席 位 的 大 剧 院 ，以 及 拥 有 个 座 位 的 多 功 能 厅 。片 大 尺 度 的 “树 叶 ”，或 者 说 “翅 膀 ”，形 成 了 该 建 筑 的 主 要 建 筑 形 象 ，如 图 所 示 。 它们结合台阶状的石 材 基 座 ，创 造 出 类似一只停靠在 水 畔 的 “蜻 蜓 ”这 样 的 艺 术 作 品 。 建筑师试图将这样 一种形式赋予 无 锡 市 这 座 最图 建 筑 效 果 图 收 稿 日 期 ：收到修改稿日期 ：作 者 简 介 ：张 良 兰（ ），男 ，硕 士 ，工 程 师 ，主要从事空间

4、结构设计方面的工作 。：。第 期无锡大剧院屋顶钢结构设计 屋顶钢结构概述 屋 顶 钢 结构是整个无锡大 剧院建筑最为重要的部 分 ，是体现建筑师创意及地 标建筑的点睛 之 笔 ，而 建 筑 的 高 标 准 要 求 ，建 筑 尺 度 的 宏大都给结构设计带来极大的 困 难 。高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座在 ；单 体 总 长 为 ，悬 挑 ，屋 面 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座 在 ；屋 面 材 料屋 顶 钢 结 构 几 何 造 型 及 尺 寸屋 顶 上 表 面 采用带肋铝合金板 ，下表面采用穿孔铝 板 。建 筑 师 要 求 屋 面

5、上 、下表面的构造层厚度均控制在 ，从 而 保 证 系列屋顶的建筑厚度为（其 中 结 构 外 包 厚 度 为 ）、 系 列 屋 顶 的 建 筑 厚 度 为 （其中结构外包厚度为）。为保证建筑外包尺寸 ，该 项 目 结 构 三 维 模 型 的 建 立 均按照结构外包层的空间要求 ，上 、下 表 面 各 偏 移 一 定 距 离 （弦 杆 半 径 ）得到结构构件中 心 线 。如 图 所 示 。屋面钢结构平面如图 所 示 。图 屋顶钢结构平面图 其 中 ： 系 列 单 体 总 长 为，悬 挑 为，屋 面 结 构 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座 在 ；单 体 总 长 为，

6、悬 挑 为，屋 面 结 构 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座 在 ；单 体 总 长 为，悬 挑 为，屋 面 结 构 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座在 ；单 体 总 长 为，悬 挑 为，屋 面 结 构 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座 在 ；单 体 总 长 为，悬 挑 为，屋 面 结 构 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座 在 ； 系 列 单 体 总 长 为 ，悬 挑 为 ，屋 面 结 构 最 高 点 标 高 为 ，幕 墙 支 座 在 ，根 部 支 座 在 ；单 体 总 长 为

7、 ，悬 挑 为 ，屋 面 结 构 最图 建 筑 构 造 结构设计屋 顶 结 构 采 用钢结构空间网格结构体系 ，结 构 受 力体 系 分 为 部 分 ：屋 顶 、斜 支 撑 桁 架 墙 、根 部 筒 体 。 如 图 所 示 。屋 顶 部 分 由斜支撑桁架墙和根部筒体支撑 ，形 成 类似门式刚架的受力体系 。 屋 顶 跨 度 大 ，悬 挑 长 度 大 ，为 了增加结构的刚度 ，屋 顶 由 高度较长的双向桁 架 组 成 （分 别 为 和 ）。同 时 为了满足建筑效果 ，桁 架 两 端 收 成 一 点 ，形成鱼腹式外形 ，桁 架分有斜腹杆 桁 架 和 无 斜 腹。杆 桁 架 ，两种桁架间隔 布 置对

8、于悬挑长度大的区 域 ，局部增加桁架杆件截面 ，同 时 考 虑荷载不利布置 。 斜支 撑 桁 架 墙 为双层平板网架结构 ，支 座 均 为 铰 接 。 因 为 斜 支 撑 各 弦 杆 支 座 组 成 “线 约 束 ”，在保证支座不传递弯 矩 给 混 凝 土 结 构 的 同 时 ，提供整体抗弯能力 。 根 部 筒 体 由双向桁架组成 ，支 座“群”闭 合 后 形 成 “曲 线 约 束 ”，整 体 相当于一个刚接支座 。各 杆 件 之 间 采 用 相 贯 节 点 。 为 了 最 大 限 度 地 满 足 建 筑 师 对 造 型 的 要 求 ，连续弦杆均用三 维 曲 线 拟 合 ，尤其是根部筒体部位

9、。 斜支撑桁架墙上弦 面内斜腹杆与 弦 杆 之 间 采 用 “蝶 形 ”节 点 ，其 造 型 与 结 构建 筑 钢 结 构 进 展第 卷整体造型更加吻合 。响 。 因此委托了同济大学桥 梁系进行本结 构 的 数 值 风 洞模拟和物理风洞 试 验 。 如 图 所 示 。 风向角定义如图 所 示 ，典 型 单 体 在典型风向角下的体型系数 如 图 所 示 ，镂 空 斜 支 撑 桁 架 墙 在 风作用下的表面风压和绕流场 分 别 分 别 如 图 和 所 示 ，整体建筑在典型风向角下的 表面压力应力云图分别如图 和 图 所 示 。图 风 洞 试 验 模 型图 结 构 组 成 单 元设计难点及处理风 荷

10、 载 分 析屋 顶 结 构 为 造型独特的空间结构 ，其屋顶的悬挑部 分 ，下 部 不 规 则 造 型 的 主 体建筑及镂空的斜支撑桁架墙 都给风荷载的设计计算 带 来 很 大 的 难 度 。 且 个 单 体 间 存 在相 互 影 响 ，对结构风荷载参数的选取造成较大的影 图 风 向 角 示 意 图 图 单体典型风向角下的体型系数 通过计算分析和模型试验 ，得 出 如 下 结 论 ：（）结构所受的风荷载主要表现为风吸力 ，且 风 向 角 大 多 表 现 为 负 压 ，只 有 局 部背风侧有可能达到较小的正 压 ，风荷载较大处一般出现在边角部位 。（）对于斜支撑桁架墙背侧无混凝土墙体的情况 （顶

11、部），在 度 风 向 角 力 最 大 ，而对于背侧有混凝土墙体的 情 况（中 下 部），背侧墙体能够 有效地减小垂直斜支撑桁 架墙面方向的力 。第 期无锡大剧院屋顶钢结构设计 的 杆 件 ，并 且 使 较 低 单 体 屋顶与较高单体斜支撑桁架墙 之间的缝宽满足正常使用和大震不碰撞的要求 。对 于 每 个 单 体 ，均 由 屋 顶 、斜 支 撑 桁架墙和根部筒体 组 成 ，部分形成类似门式刚架的结构形式 。屋 顶屋 顶 支 承 于 斜支撑桁架墙和根部筒体顶部 ，采 用 双向 桁 架 结 构 ，有斜腹杆和无 斜腹杆桁架间 隔 布 置 ，桁 架 两 端 根 据 建 筑 效 果 收 成 一 点 ，形成

12、鱼腹式形状 。 结 构 厚 度根 据 单 体的重量不同而不同 ，其 中 系列单体厚度为 ， 系列单体厚度为 。 如 图 所 示 。图 垂直桁架风向角下表面风压 图 垂直桁架风向角下绕流场分布 图 屋 顶 布 置 根 部 筒 体根 部 筒 体 为 结构的主要抗侧力构件 ，并 传 递 结 构 大半部分竖向荷载 ，筒 体 采 用 双 向 桁 架 结 构 ，其 结 构 厚 度 根据单体重量不同而 不 同 ，其 中 系列单体厚度为 ，系列单体厚度为 。 如 图 所 示 。图 风向角建筑表面压力系数云图 图 风向角建筑表面压力系数云图 图 根 部 筒 体 布 置 整体结构受力体系的选择 为 了减小外荷载对

13、结构的不利影响 ，把 个 单 体 设 计 成 个 独 立 的 受 力 体 系 ，对于较高单体的斜支撑桁架 墙 穿 越 较 低 单 体 屋 顶 时 ，在较低单体的屋顶上抽掉相应 斜 支 撑 桁 架 墙斜支撑桁架墙同根部筒 体 一 样 均 为 结 构 的 主 要 抗 侧力 构 件 ，同时传递大半部分 的 竖 向 荷 载 ，采 用 平 板 网 架 结建 筑 钢 结 构 进 展第 卷构 ，结构杆件中心线厚度为 。如 图 所 示 。图 斜支撑桁架墙支座 图 斜支撑桁架墙布置 特殊节点的处理 根 部 筒 体 支 座根 部 筒 体 为 结 构 重 点 构 件 ，其支座荷载的传递效率 将 影 响 整 个 结

14、构 的 安 全 性 ，同时进行其支座构造时还要 考虑到建筑效果的协调及加工制作的便易 。由 于 根 部筒体承受整个结 构的竖向荷载和水平荷 载 ，其 反 力 非 常 大 ，为 了 保 证 “树 叶 ”钢结构的荷载能有 效 、安全地传递给下部混凝 土 结 构 ，在 根 部 筒 体 下 部 设 置 一个钢筋混凝土柱敦 ，柱 敦 顶部通过梁板 结 构 约 束 ，柱 敦 直 接 与 基 础 底 板 相 连 ，同 时在根部筒体每个支座处设置 内插钢管至基础底板顶部 ，如 图 所 示 。 钢 管 之 间 设 置 加 强 桁 架 ，钢管内灌注混凝土 。图 销 轴 构 造（单 位 ：） （：）杆 件 连 接

15、节 点钢 结 构 杆 件 之间采用相贯连接 ，由于建筑要求杆件 需 采 用 曲 线 杆 件 ，因 此 杆 件的加工和安装也是该项目加 工 的 一 大 难 点 ，尤其是根部筒体的 “麻 花 状 ”杆 件。 如图 所 示 。图 根 部 筒 体 支 座 斜 支 撑 桁 架 墙 底 部 支 座斜 支 撑 桁 架 墙底部支座采用销轴支座 ，由 于 建 筑 师不 接 受 耳 板 加 面 外 加 劲 板 的 常 规 做 法 ，销轴支座的耳板 采 用 铸 钢 来 实 现 ，其中单耳板最 小 厚 度 为 ，双 耳 板 最 小 厚 度 为 ，最 大 为 （图 、图 ）。为 了 减 小 耳 板 厚 度 ，需 要 两

16、 侧耳板共同承担其面外方向的 支 座 反 力 ，因此销轴构造也 不同于常规的 构 造 ，销 轴 除 需 要承担剪力之外还需承担不小的拉力 。图 杆 件 连 接 节 点斜 支撑桁架墙节点 根 据 建 筑 师 要 求 ，斜支撑桁架墙上弦面内斜腹杆与 弦 杆 之 间 采 用“蝶 形 ”节 点 （图 ），实际设计时在弦杆位 置 先 开 槽 口 ，然后把蝶形板插入该槽口 。第 期无锡大剧院屋顶钢结构设计 图 和 图 分 别 是 典 型 测 点应力曲线图和位移曲 线 图 。可以得出如下结论 ：（）试 验 所 布 三 向应变花测点的实测折算应力 均 小 于钢材的屈服强度 。 其 中 、 值 在 加 载过程中

17、基本呈 线 性 增 加 。 但某些测点的主应力与加载的 线 性 关 系 较 差 ，这 些 测 点 的 主 应 力 都 较 小 ，容易受测试误差的影响 ， 而主应力大的测点则受测试误差影响较小 。（）铸 钢 节 点 的 变 形 值 ，在加载过程中 为 线 性 状 态 ，在节点卸载之后弹性变形均能恢复其初始状态 。（）铸钢节点在试验前后均处于完好状态 ，未 发 现 质 量 隐 患 。（）铸钢节点在应力值及位移值均在安全范围内 。（）试验分析结果表明 ，支座铸钢节点在最大使用荷 载作用下是安全可靠的 。图 蝶 形 节 点 节 点 试 验斜 支 撑 桁 架 墙底部支座采用非传统的销轴支座 ，耳板采用铸

18、钢支座 ，考 虑 到 其 重 要 性 ，对 该 节 点 进 了 足 尺 静载 试 验 。 如 图 所 示 。结构计算分析由 于 个单体为独立受力的单体 ，本文选取其中体 量 最 大 的 单体进行详细的描述 。位 移 计 算荷载计算参数如下 ：恒 荷 载 ：上 弦 平 面 为 、下 弦 平 面 为 ；活 荷 载 ：取 ；图 节 点 试 验 模 型典型测点应力曲线 建 筑 钢 结 构 进 展第 卷典型测点位移曲线 风 荷 载 ：基 本 风 压 ， 类 地 貌 ，风 载 体型系数和风振系数根据风洞试验报告提供的数据取值 ；温 度 荷 载 ： ；地 震 作 用 ：按 抗 震 规 范 ，取 度 （）进

19、行 计 算 ，乙 类 建 筑 ，第 组 ， 类 场 地 ， 在 最 不 利 荷 载 组 合 作 用 下 ，结构跨中的最大竖向位 移 为 ，悬 挑 端最大竖向位移为 ，水 平 荷 载 下 的最大位移角为 ，均满足规范的限值要求。图 非线性屈曲分析时荷载 位 移 曲 线应 力 计 算杆 件应力控制标 准 为 ：弦杆应力比不超过 ，腹 杆 应 力 比 不 超 过 。 为了考虑弯曲杆件附加弯 矩 的 影 响 ，对应力较大工况下结构 采 用 曲 线 模 型 （每 根 杆 件 分 成段），计 算 时 考 虑 几 何 非 线 性 影 响 。 杆件应力比分布如 表 所 示 。 抗 震 性 能自 振 特 性结构

20、自振特性如表 所 示 。表 结 构 前 阶 自 振 特 性 表 杆件应力比分布 ：整 体 稳 定 性 能恒 活 工 况 作用下对结构进行整体稳定分析 ，包 括 线性屈曲和非线 性 屈 曲 分 析 。 线性屈曲分析结果如表 所 示 。表 前 阶屈曲荷载系数 抗 震 性 能多遇地震下结构的受力 和 变 形 性 能 分 别 采 用 反 应 谱法和弹性时程分析法进 行 计 算 。 其 中 进 行 反 应 谱 法 分 析时 取 前 阶 振 型（向 量 法 ）进 行 计 算 ，而 时 程 分 析 加 速 度 峰 值 采 用 ，地 震 波 数 据 采 用 条 由 场 地 安 全 评 估 报 告 所提供的地震

21、波 、。 如 表 所 示 。非线性屈曲分析如图 所 示 ，计 算时考虑初始缺 陷 。从 以 上 分 析 可 知 ，结构非线性屈曲荷载系数最小值 为 ，稳定性能满足规范要求。第 阶第 阶第 阶第 阶第 阶第 阶阶 数第 阶第 阶第 阶周 期振 型 参 与 质 量（）：阶 数第 阶第 阶第 阶周 期振 型 参 与 质 量（）：应 力 比 范 围杆件数量百分比 应 力 比 范 围杆件数量百分比 第 期无锡大剧院屋顶钢结构设计 采用反应谱法计算时 ，提 取 前 阶 振 型得到的振型参与 质 量 系 数 为 ： 向 ， 向 ， 向 。表 结构在多遇地震作用下的位移（单 位 ：） （：）葛 家 琪 ，王 树 ，张 国 军 ，等 东北师范大学体育馆体内预应力 大跨度钢管桁架结构设 计 研 究 建 筑 结 构 ，（）：， ，（）：，（）戴 伟 珊 ，孙 文 波 ，胡 涛 年亚运会游泳跳水馆大跨度 管 桁 架屋盖钢结构设计工 业 建 筑 ，（增 刊）： ， ， ，（）：（）卢 立 香 铸钢节点在大跨度管桁架建筑 钢结构中应用探讨 钢 结 构 ，（）： ，（）：（）石 教 澜 ，侯 华 东 ，岳 峰 复 杂 管 桁 架铸钢节点有限元分析与试 验 研 究钢 结 构 ，（）