长沙冰雪世界主体拱形结构设计与选型-空间结构会议课件

长沙冰雪世界主体拱形结构设计与选型周健张耀康王帅顾乐明华东建筑设计研究院有限公司2014/10/311.长沙冰雪世界1.一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约500m、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。2.一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约500m、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。3.一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生一工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支承，未支承自由边横向跨度达180m。主要功能包括冰雪世界、水上乐园、停车场等，总建筑面积达12万㎡。地下室最大深度约10.8米，地上部分最大建筑高度约39.9米。4.一工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支东南视角西北视角一工程概况5.东南视角西北视角一工程概况5.深坑内视角一工程概况坑底视角6.深坑内视角一工程概况坑底视角6.餐厅内视角冰雪世界水上乐园一工程概况7.餐厅内视角冰雪世界和水上乐园主要位于-10m标高的楼面上，底部为主体拱形结构，实现大尺度跨越。屋盖为空间转折曲面造型，屋盖中部为下凹锥体，呈漏斗状，穿过-10m楼面，漏斗形支座支撑在深坑底部人工岛，人工岛为露天剧场。二结构设计屋盖与主体拱形结构的关系示意解决跨越问题两大部分结构理清三者的关系8.冰雪世界和水上乐园主要位于-10m标高的楼面上，底部为主体拱二结构设计地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实际是一层和两层的结构。二层地下室、水乐园及车库大部分位于深坑以外的土体上，采用钢筋混凝土框架结构，局部与拱形结构连接。雪乐园主体拱形结构为大跨度钢结构，雪乐园大部分位于深坑上方，仅局部滑道区域位于坑壁的土体上。拱形结构拱脚支承于坑壁岩体，利用深坑三边的岩体形成大跨结构。9.二结构设计地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实二结构设计地下室结构、主体拱形结构与矿坑山体关系示意10.二结构设计地下室结构、主体拱形结构与矿坑山体关系示意10.二结构设计整体结构示意图（拱形结构+屋盖）地下室和主体拱形结构大跨度空间钢结构屋盖内部及周边不同位置的钢柱支承在主体拱形结构、雪乐园地下室顶板、水乐园顶板及坑边土体上等，中部漏斗形结构与主体拱形结构之间没有联系。11.二结构设计整体结构示意图（拱形结构+屋盖）地下室和主体拱形三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置结合建筑造型及矿坑周边支承条件，通过找形优化得到合适的曲面；基于竖向荷载作用下曲面应力分析及应力流方向，布置拱结构实现大跨度跨越，各组拱之间的夹角大约为45度-60度。曲面应力流三组拱布置示意图曲面应力流三组拱布置示意图12.三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置曲面应力流三三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置拱形曲面结构：三组主拱+支撑C组拱A组拱B组拱由于建筑造型要求，拱脚与拱顶位置差异而需倾斜放置，总体上形成向南侧坑内倾斜的趋势，通过支撑将各榀拱连成完整的面，提高拱平面内的稳定性。主拱是最主要的竖向荷载受力构件，找形优化后以轴向受力为主，采用大截面钢管结构*。在端部一定长度范围的钢管内灌C60混凝土，充分发挥钢管混凝土的受压能力，减小钢管的截面尺寸。13.三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置拱形曲面结构三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架：主拱构件+钢立柱+上弦钢梁+斜腹杆拱形桁架三维图及倾斜拱上桁架由于冰雪世界上部荷载的不均匀性，设置斜腹杆将上述构件组成拱形桁架，减小主拱构件的弯矩，同时增强结构在沿拱跨度方向的整体性。主拱顶部与上弦之间的间距过小时主拱跨中抵抗不均匀荷载的能力差，距离过大时主拱的效率降低，经过计算比选，中心距离取为3米。14.三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架：主拱构件+钢立三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比15.三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架间的连系桁架（梁）拱形桁架结构体系+=A1A516.各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架间的连系桁架（梁）17.各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系弹性稳定第1阶ζ=17.58弹性稳定第1阶ζ=5.71主体拱形结构的特点：1整体稳定性好2结构冗余度大3抗连续倒塌能力强18.三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系弹性稳定第1阶ζ=1主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方向在⑨层微风化灰岩范围内布置巨型钢筋混凝土基础，将荷载均匀扩散传递至微风化灰岩。主要由深坑坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，已委托专项单位进行坑壁边坡岩体长期稳定性评价。三主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系拱脚基础与岩体、地下室关系拱脚与基础关系19.主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质条件，且岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，岩体稳定性的问题比较突出。主体结构设计对主体拱形结构的布置进行了优化调整，考虑罕遇地震的组合下的拱脚反力作为岩体稳定性分析的依据。三主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系东南角处拱脚结构与岩石的关系20.据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质四主体拱形结构布置优化洞口范围调整调整前洞口尺寸接近80米，大面积的楼板位于最南侧拱脚的范围以外，且拱脚在岩石的作用范围较小，对整体结构和拱脚基础岩石的受力带来不利影响；减小洞口尺寸至约60米，并尽可能靠近北侧坑壁布置。21.四主体拱形结构布置优化洞口范围调整调整前洞口尺寸接近80米四主体拱形结构布置优化拱平面布置调整调整前南侧的五榀拱在拱脚处距离很近，局部区域内传递给岩体的力比较集中，因此调整了靠近洞口的各榀拱的拱脚平面位置及拱的平面形状。东北侧五榀拱作用力方向在水乐园位置东南角处岩体的薄弱受力方向，因此调整了东侧拱脚的位置和拱的平面形状。上述调整明显加大了受力较大的南侧拱脚的作用范围，且所有拱脚相对更加均匀的传递轴力到岩石，改善岩体的稳定性。22.四主体拱形结构布置优化拱平面布置调整调整前南侧的五榀拱在拱四主体拱形结构布置优化拱脚标高调整随着勘察数据的增加和对东南角拱脚所在的岩体的进一步了解，在不影响整体建筑效果的前提下，拱脚标高调整了两次，南侧最大一组拱的拱脚基础标高比方案阶段降低约8米。一方面减小了拱的水平推力，另一方面增大了岩体的抗滑移剪切面，对岩体稳定性有较大的改善。各次调整的拱形都经过形态创建得到。方案阶段第一次调整第二次调整23.四主体拱形结构布置优化拱脚标高调整随着勘察数据的增加和对东五结语长沙冰雪世界项目利用深坑坑壁三边有岩体的自然条件，结合建筑师对造型的要求，选择三组拱形桁架结构及联系桁架形成的大跨度空间结构体系，实现最大180米跨度的矿坑顶部跨越。选型过程中根据坑壁岩石的实际情况对主体拱形结构进行优化调整，使得方案更具有实施的可行性。Rhino(犀牛)、Grasshopper等三维程序在复杂结构设计、找形以及与建筑师沟通过程中发挥重要作用。设计过程中进行了地震参数取值研究、施工阶段模拟、整体稳定性研究、弹塑性时程分析、多点激励地震时程分析、舒适度分析、防连续倒塌分析等专项分析。项目已完成初步设计并通过超限建筑抗震专项审查，目前正在进行施工图设计。24.五结语长沙冰雪世界项目利用深坑坑壁三边有岩体的自然条件，结谢谢！敬请指正！25.谢谢！25.长沙冰雪世界主体拱形结构设计与选型周健张耀康王帅顾乐明华东建筑设计研究院有限公司2014/10/3126.长沙冰雪世界1.一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约500m、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。27.一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生水泥厂现有采石场坑范围。场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，经人工采石而成深度达100m、其西、周边长直径约500m、短直径约400m的似椭圆形的矿坑。28.一工程概况拟建工程场地位于长沙市湘江新区坪塘镇，湖南省新生一工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支承，未支承自由边横向跨度达180m。主要功能包括冰雪世界、水上乐园、停车场等，总建筑面积达12万㎡。地下室最大深度约10.8米，地上部分最大建筑高度约39.9米。29.一工程概况冰雪世界主体结构位于矿坑上，依附山体建造，三边支东南视角西北视角一工程概况30.东南视角西北视角一工程概况5.深坑内视角一工程概况坑底视角31.深坑内视角一工程概况坑底视角6.餐厅内视角冰雪世界水上乐园一工程概况32.餐厅内视角冰雪世界和水上乐园主要位于-10m标高的楼面上，底部为主体拱形结构，实现大尺度跨越。屋盖为空间转折曲面造型，屋盖中部为下凹锥体，呈漏斗状，穿过-10m楼面，漏斗形支座支撑在深坑底部人工岛，人工岛为露天剧场。二结构设计屋盖与主体拱形结构的关系示意解决跨越问题两大部分结构理清三者的关系33.冰雪世界和水上乐园主要位于-10m标高的楼面上，底部为主体拱二结构设计地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实际是一层和两层的结构。二层地下室、水乐园及车库大部分位于深坑以外的土体上，采用钢筋混凝土框架结构，局部与拱形结构连接。雪乐园主体拱形结构为大跨度钢结构，雪乐园大部分位于深坑上方，仅局部滑道区域位于坑壁的土体上。拱形结构拱脚支承于坑壁岩体，利用深坑三边的岩体形成大跨结构。34.二结构设计地下室结构与永久性挡土支护之间相互脱开，地下室实二结构设计地下室结构、主体拱形结构与矿坑山体关系示意35.二结构设计地下室结构、主体拱形结构与矿坑山体关系示意10.二结构设计整体结构示意图（拱形结构+屋盖）地下室和主体拱形结构大跨度空间钢结构屋盖内部及周边不同位置的钢柱支承在主体拱形结构、雪乐园地下室顶板、水乐园顶板及坑边土体上等，中部漏斗形结构与主体拱形结构之间没有联系。36.二结构设计整体结构示意图（拱形结构+屋盖）地下室和主体拱形三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置结合建筑造型及矿坑周边支承条件，通过找形优化得到合适的曲面；基于竖向荷载作用下曲面应力分析及应力流方向，布置拱结构实现大跨度跨越，各组拱之间的夹角大约为45度-60度。曲面应力流三组拱布置示意图曲面应力流三组拱布置示意图37.三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置曲面应力流三三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置拱形曲面结构：三组主拱+支撑C组拱A组拱B组拱由于建筑造型要求，拱脚与拱顶位置差异而需倾斜放置，总体上形成向南侧坑内倾斜的趋势，通过支撑将各榀拱连成完整的面，提高拱平面内的稳定性。主拱是最主要的竖向荷载受力构件，找形优化后以轴向受力为主，采用大截面钢管结构*。在端部一定长度范围的钢管内灌C60混凝土，充分发挥钢管混凝土的受压能力，减小钢管的截面尺寸。38.三主体拱形结构选型从拱形曲面概念到三组拱的布置拱形曲面结构三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架：主拱构件+钢立柱+上弦钢梁+斜腹杆拱形桁架三维图及倾斜拱上桁架由于冰雪世界上部荷载的不均匀性，设置斜腹杆将上述构件组成拱形桁架，减小主拱构件的弯矩，同时增强结构在沿拱跨度方向的整体性。主拱顶部与上弦之间的间距过小时主拱跨中抵抗不均匀荷载的能力差，距离过大时主拱的效率降低，经过计算比选，中心距离取为3米。39.三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架：主拱构件+钢立三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比40.三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系竖向荷载下的受力性能对比各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架间的连系桁架（梁）拱形桁架结构体系+=A1A541.各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平面外的稳定性。由于拱形曲面结构及拱形桁架总体上向坑内倾斜的趋势，产生倾覆力矩，连系桁架将各榀拱形桁架连成整体抵抗这一倾覆力矩。由于楼面上大约相当于60米直径的不规则开洞削弱了整体的完整性，主要有洞口东侧、西侧的连系桁架发挥这一作用，其斜腹杆协调各榀桁架的变形产生轴力，并将轴力传递到连系桁架的上弦杆及梁板，最终通过锚杆传递至岩石。坑壁稳定性分析单位在分析中考虑锚索拉力的影响。三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系拱形桁架间的连系桁架（梁）42.各榀拱形桁架之间设置平面外连系桁架和连系梁，提高拱形桁架在平三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系弹性稳定第1阶ζ=17.58弹性稳定第1阶ζ=5.71主体拱形结构的特点：1整体稳定性好2结构冗余度大3抗连续倒塌能力强43.三主体拱形结构选型拱形桁架结构体系弹性稳定第1阶ζ=1主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方向在⑨层微风化灰岩范围内布置巨型钢筋混凝土基础，将荷载均匀扩散传递至微风化灰岩。主要由深坑坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，已委托专项单位进行坑壁边坡岩体长期稳定性评价。三主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系拱脚基础与岩体、地下室关系拱脚与基础关系44.主体拱形结构的拱脚支承在坑壁岩体上，在坑壁上沿拱脚点的切线方据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质条件，且岩面起伏很大、局部勘察点岩石埋深很深，岩体稳定性的问题比较突出。主体结构设计对主体拱形结构的布置进行了优化调整，考虑罕遇地震的组合下的拱脚反力作为岩体稳定性分析的依据。三主体拱形结构选型拱脚基础与岩体关系东南角处拱脚结构与岩石的关系45.据勘察报告，拱脚作用范围的岩石存在节理、断层、溶洞等不利地质四主体拱形结构布置优化洞口范围调整调整前洞口尺寸接近80米，大面积的楼板位于最南侧拱脚的范围以外，且拱脚在岩石的作用范围较小，对整体结构和拱脚基础岩石的受力带来不利影响；减小洞口尺寸至约60米，并尽可能靠近北侧坑壁布置。46