某大学体育馆弦支穹顶钢结构屋盖的与设计

某大学体育馆弦支穹顶屋盖的分析与设计1主要内容1.工程概况2.结构体系与结构布置3.结构静力与动力计算分析4.静力弹塑性极限承载力计算分析5.节点设计6.施工张拉过程的仿真计算7.结语21.工程概况钻石形建筑造型；正六边形柱网外接圆直径87.757m，最大挑檐长度6m，屋盖总高度11.55m；矢跨比1/8.6；屋面坡度12度，局部凸屋面15度；屋盖中央设置正六边形的采光玻璃天窗，外接圆直径24m。

柱网布置图32.结构体系与结构布置2.1结构体系——弦支穹顶网壳与索穹顶的综合体，属于杂交结构；极大地降低支座的水平推力；调整了网壳的内力分布状况，构件受力趋于均匀，提高材料使用效率由于存在刚性的网壳部分，因此与完全柔性的索穹顶相比，施工的难度与复杂性大大降低与普通的空间桁架结构相比，弦支穹顶的构件和节点数量少，加工制作的工作量大大减少整体结构轴侧图结构正立面图42.2结构布置++=单层网壳边缘构件(环形桁架)支承索系与桅杆整体结构53.结构静力与动力计算分析3.1预应力初始态设计已有研究和工程实例表明，弦支穹顶外圈的索对结构的影响最大，由外圈到内圈索的预拉力应逐级减小。使用同济大学的3D3S软件对结构进行了非线性找形分析，在找形分析中考虑结构自重的作用。索的预应力取值考虑以下几个因素：结构整体刚度适宜（刚度与周期）；在恒荷载和预应力作用下(荷载组合C1)，脊梁的主轴弯矩图呈锯齿形，正负峰值弯矩的绝对值相接近；在控制荷载组合作用下主要的索不退出工作；支座水平推力较小；在满足上述条件的情况下，预应力值向小的方向取，以降低施工时的张拉难度。通过多次试算，下斜索由外到内初始预张力分别确定为：1800kN，1000kN，500kN，250kN，100kN。环向梁的扭矩及其正截面弯矩共同造成了脊梁正截面弯矩的突变。主脊梁轴力图(kN)主脊梁弯矩图(kN.m)6荷载组合C1脊梁轴力图（kN）

荷载组合C1脊梁弯矩图（kN-m）

在1.0永久荷载+预应力的荷载组合作用下，脊梁轴力和弯矩的分布分别如上图所示。73.2结构动力特性第1振型为左右两部分上下反对称振动，周期为：T1＝1.35s第2振型为前后两部分上下反对称振动，周期为：T1＝1.32s第3、4、5、6、7振型均表现为结构反对称上下振动，并伴有外围悬挑桁架的水平向摆动，周期分别为：T3＝1.22s，T4＝1.18s，T5＝1.18s，T6＝1.12s，T7＝1.10s第8振型表现为整体环向振动，周期为T8＝0.77s8第9、10、11振型表现为整体的介于对称与反对称之间的上下振动，周期为T9＝0.76s，T10＝0.66，T11＝0.63第12、13、14振型表现为脊梁带动六块屋面上下反对称振动，周期为T12＝0.61s，T13＝0.59，T14＝0.50第15振型表现为整体环向振动，周期为T15＝0.46s第16、18、19、20振型表现为六块屋面上下反对称振动，周期为T16＝0.43s，T18＝38s，T19＝38s，T20＝38s9第17振型表现为六块屋面上下整体振动，周期为T17＝0.41s振型及其分布与单层网壳类似；相同结构的单层网壳的周期增大约5%，这是因为索的纤柔和撑杆布置数量较少，其预张力对结构的整体刚度贡献并不大，索的主要作用在于改变结构的内力分布。从以上结果可以看到：103.3荷荷载态态的弹性性设计计计算考虑了14个大类的的荷载组组合。当恒荷荷载起有有利作用用时，其其分项系系数取为为1.0；温度的的分项系系数1.0，组合系系数0.7。各个组组合中均均已包括括了1.0倍的预应应力作用用：(1)1.0结构自重重（即预预应力初初始态））(2)1.2恒+1.4雪(3)1.2恒+1.4风(4)1.2恒+1.0温(5)1.2恒+1.4雪+1.4×0.6风(6)1.2恒+1.4风+1.4×0.7雪(7)1.2恒+1.4雪+0.7温（升温温时取活活）(8)1.2恒+1.0温+1.4×0.7雪（升温温时取活活）(9)1.2恒+1.4风+0.7温(10)1.2恒+1.0温+1.4×0.6风(11)1.2恒+1.4雪+1.4×0.6风+0.7降温(12)1.2恒+1.4风+1.4×0.7雪+0.7降温(13)1.2恒+1.0降温+1.4×0.6风+1.4×0.7雪(14)1.2（恒+0.5雪）+1.3水平地震震114.静静力弹塑塑性极限限承力计计算分析析弹塑性模模型：①(Hinge72)在在脊梁每每个节间间的两端端预设生生成塑性性P-M3铰，，共72个铰②(Hinge600)在脊脊梁、环环梁及肋肋梁每个个节间的的两端预预设生成成塑性P-M3铰，共共600个铰弹塑性模模型一弹塑性模模型二比较分析析对象：①弦支支穹顶②对应的的单层网网壳（即即去掉所所有的拉拉索与撑撑杆）12组合1（（全跨雪雪）荷载载—位移移曲线组合1（（半跨雪雪）荷载载—位移移曲线以结构中中心点的的竖向位位移作为为监控位位移，，将基底底竖向反反力值除除以荷载载组合值值，即为为结构弹弹塑性极极限承载载安全系系数。。两个弹塑塑分析模模型所能能承受的的极限荷荷载几乎乎完全一一致。虽虽然在半半跨雪载载组合的的作用下下，结构构的次要要杆件将将先于主主要杆件件出现塑塑性铰，，但对结结构的承承载力几几乎没有有影响，，只有到到了主要要杆件出出现塑性性铰，结结构的整整体承载载力才会会发生突突变，有有明显的的下降。。故此采采用仅在在主要杆杆件（脊脊梁）设设置塑性性铰进行行结构Push-Over分析是完完全可行行的；在竖向荷荷载作用用下，结结构并不不会随着着第一处处塑性铰铰的出现现而完全全破坏，，承载力力降低一一定程度度后随着着内力的的重分布布，结构构的后继继承载力力会继续续增高，，即结构构有很强强的安全全储备13弦支穹顶顶比单层层网壳的的弹塑性性极限承承载力有有较为明明显的提提高。单单层网壳壳和弦支支穹顶的的弹塑性性极限承承载安全全系数列列于下表表：弹塑性安安全系数数弹塑性极限承载安全系数单层网壳弦支穹顶弦支穹顶承载力提高1.2永久+1.4满跨雪+1.0预2.062.3313.1%1.2永久+1.4半跨雪+1.0预2.222.8126.6%146.施施工张拉拉过程的的仿真计计算张拉方法法：环索按应应力释放放后的长长度下料料标定，，张拉前前将环索索，斜索索及撑杆杆连接安安装就位位，斜索索在脊梁梁的一端端为张拉拉端，分分批对称称张拉斜斜索直到到设计预预应力；；三轮张拉拉：第一轮张张拉设计计预应力力的2/3左右，第第二轮张张拉到设设计预应应力，第第三轮根根据现场场索力实实测值对对各索进进行微调调；张拉顺序序：从外圈到到内圈分分两轮对对称张拉拉到设计计预应力力，之后后根据现现场测量量进行第第三轮的的微调。。第一轮轮张拉斜斜索到设设计预拉拉力的2/3左右。第第二轮最最后一圈圈(最内圈)索张拉至至设计预预拉时，，其它各各索恰好好都达到到设计预预拉力；；各轮张拉拉时张拉拉控制力力的确定定方法：：在张拉过过程中，，每一圈圈索的张张拉会导导致其它它圈索力力的变化化，为了了保证在在张拉最最后一圈圈斜索后后，其它它各圈索索的预拉拉力均恰恰好达到到设计的的预拉值值，各斜斜索的张张拉控制制力由逆逆向施工工（即先先从结构构预应力力初始态态“放松松——拆”）确定。。监控：实际张拉施工工过程中，同同时监控结构构的几何形状状与索力，即即采取双控措措施。156.1结构构模型（脊梁梁）半榀脊梁、撑杆及及拉索的单元元与节点编号号166.2张拉拉过程张拉过程与张张拉控制力F结构变形过程程D第1步第2步第3步第4步17F(续1)D(续1)第5步第6步第7步第8步18F(续2)D(续2)第9步第10步第11步196.3构件件强度应力比比与稳定应力力比变化过程程（施工验验算）单元1最大强强度应力比0.386，，稳定应比变变化过程与此此相似，最大大稳定应力比比0.390单元2最大强强度应力比0.330，，稳定应比变变化过程与此此相似，最大大稳定应力比比0.336单元3最大强强度应力比0.274，，稳定应比变变化过程与此此相似，最大大稳定应力比比0.282单元4最大强强度应力比0.209，，稳定应比变变化过程与此此相似，最大大稳定应力比比0.217单元5最大强强度应力比0.124，，稳定应比变变化过程与此此相似，最大大稳定应力比比0.136撑杆单元2-7最大强度度应力比0.249，稳稳定应比变化化过程与此相相似，最大稳稳定应力比0.26520撑杆单元3-8最大强度度应力比0.363，稳稳定应比变化化过程与此相相似，最大稳稳定应力比0.454撑杆单元4-9最大强度度应力比0.249，稳稳定应比变化化过程与此相相似，最大稳稳定应力比0.307撑杆单元5-10最大强强度应力比0.127，，稳定应比变变化过程与此此相似，最大大稳定应力比比0.163支座水平反力力（单位：：kN）施工步H-Reaction1-33.1985520.64785310.41511411.36953510.8089610.68583727.16057830.68972931.255131031.006871130.95559设计初始预应应态Hr=30.896kN支座水平反力力变化过程（（单位：kN）21计算结果表明明，结构经过过张拉能达到到预期的设计计结构预应力力分布与初始始几何形态，，且精度较高高。该预应力力结构可以通通过正确的施施工张拉得以以实现；部分构件在张张拉过程中的的最大强度与与稳定应力比比超过了张拉拉结束后的相相应数值指标标，但其数值值总体程度较较小，且远远远小于最不利利荷载组合下下的应力数值值指标。结构构在张拉过程程中满足强度度与稳定性要要求；最外圈索的设设计预拉力最最大，张拉最最外圈斜索时时，结构的变变形与构件内内力的变化也也最大；计算表明，由由于上部单层层网壳的刚性性已经较大，，每一圈索的的张拉虽然会会导致其它已已经张拉索的的拉力变化，，但变化幅度度很小。仿真计算结论论:228.结语预应力拉索有有效地调整了了上部刚性网网壳结构的内内力分布，削削减了内力峰峰值，提高了了材料的利用用率，总体经经济效益良好好。由于建筑造型型的限制，只只有六道脊梁梁直接通过撑撑杆与索相互互作用，而每每两道脊梁之之间的4根径向梁则支支撑在内环与与外环上，与与联方网格形形式的弦支穹穹顶相比，拉拉索对整体结结构的影响不不是很强。拉索的预应力力值是该类结结构最重要的的参数。其