深圳国际会展中心^[1]项目位于深圳宝安机场以北、空港新城南部，西至海滨大道，北至塘尾涌，东南侧为海云路，东侧为海汇路。项目由16个标准展厅(图1,2)、2个多功能展厅、1个超大展厅^[2]，南北2个登录大厅^[3,4,5]和中央廊道构成。

　　 深圳国际会展中心被誉为全球建筑面积较大的单体建筑，整个项目南北向长约1 750m，东西向宽约472m。未来项目整体建成后，展览使用面积达50万m²，将成为全球较大的会展中心。本文针对标准展厅的结构体系、结构特点、关键设计内容进行介绍。

　　 结构设计依据建筑造型及内部空间使用要求，采用完全拟合建筑外形的单曲立体桁架为结构基本受力单元。标准展厅柱网的平面尺寸为207m(长度)×99m(宽度)，两个展厅之间宽度为42m，建筑高度为26m，结构高度为24.96m。

　　 工程采用了桩基加独立承台的基础形式，桩型为旋挖成孔灌注桩，考虑到工程对地基沉降变形有严格要求，选择中风化混合花岗岩作为桩基持力层。展厅室内地面荷载标准值为50kN/m²，采用预应力管桩，选择强风化混合花岗岩作为桩基持力层。

　　 工程主体采用钢结构框架，利用钢柱支承屋顶立体桁架。屋盖结构主要构件布置和rhino实体模型见图2，建设中的深圳国际会展中心工地航拍及局部实景如图3所示;屋盖主要构件截面及材料见表1。

　　 99m跨度主桁架跨中矢高7m，为减小温度作用对柱产生的拉力作用，桁架下弦上拱0.25m。桁架间距18m，展厅共9榀桁架，展厅屋盖两侧利用配套用房的柱网采用框架体系。两标准展厅之间42m的跨度和悬挑区域的结构设计采用同样的结构逻辑，即桁架与桁架连续、框架与框架连续的结构布置，形成了连续、清晰的结构体系，符合抗连续倒塌的概念。

　　 根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点^[6]，本工程结构跨度不大于120m，单向长度不大于300m，不属于超限大跨空间结构。对结构进行了多遇、设防及罕遇地震下的抗震计算和抗震性能研究。

　　 按照设计任务书要求和相关建筑结构设计规范，展厅建筑结构设计使用年限为50年，结构设计基准期为50年，建筑结构安全等级为一级。

　　 会展中心作为特殊使用类场馆，对隔声层、设备、吊挂荷载的要求较高，工程设计可变荷载依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取值，并根据会展中心实际使用需求适当调整。

　　 根据建筑屋面作法，屋面恒荷载取1.0kN/m²，设备悬挂荷载、马道等按实际情况输入。屋面活荷载和吊挂活荷载取值分别为0.3kN/m²和0.2kN/m²。

　　 深圳地区50年一遇的基本风压为0.75kPa，会展中心结构所处环境为A类地貌，结构跨度、悬挑长度较大且结构阻尼比较小，因而结构体系对风荷载作用十分敏感。为了保证该建筑结构设计的安全、经济，委托同济大学桥梁与结构抗风研究室做了几何缩尺比为1∶150的刚体模型测压试验(图4)^[7]，测压试验在0°～360°范围内的不同风向角下进行，风向角间隔10°，共36个风向角。图5为风洞试验得到的0°和90°风向角的屋面分块体型系数。

　　 结构设计将主体结构合拢时的温度作为结构的初始温度，本项目钢结构设计采用的正/负温差取值为:最大正温差+25℃，最大负温差-25℃。

　　 按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称抗规)，深圳国际会展中心的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组;根据深圳国际会展中心工程岩土工程勘察报告^[8]，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45s;抗震设防类别为乙类，按8度采取抗震措施。

　　 根据抗规10.2.2条和《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)3.5.1条，屋盖挠度限值为L/250(L为屋盖跨度);控制竖向自振频率≥1.0Hz;杆件长细比按《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)要求。

　　 整体采用SAP2000软件建立三维结构模型，构件采用Frame单元，屋面采用Shell单元，并施加屋面荷载，单元的重量及刚度均退化为0，不参与结构受力。结构主要计算结果见表2,3。从表2和表3中可以看出，结构前两阶振型为平动，第3阶振型为扭转，第1阶扭转周期与第1阶平动周期之比小于0.9，表明结构布置对称、扭转刚度较大;第1阶竖向振动频率大于1.0Hz。结构剪重比满足相应的规范要求，表明结构具有足够的抗侧刚度。屋盖的竖向变形满足相应的规范限值的要求。

　　 对构件进行承载力计算得出，恒荷载+活荷载+风荷载+温度作用的组合对钢结构杆件起控制作用，在考虑重要性系数的持久设计工况组合下，上弦最大应力比为0.72，下弦最大应力比为0.77(跨中，构件采用Q345B)和0.77(端部，构件采用Q420GJC)。1.1(恒荷载+活荷载+风荷载+温度作用)工况下屋盖钢结构构件应力比统计结果见图6，其中部分次要杆件应力比超过0.8，所有杆件应力比均未超过1.0，满足设计要求。

　　 工程结构为大跨度屋盖钢结构，除应验算构件变形、强度等外，结构稳定性同样重要。屋盖采用立体桁架，对整体结构进行了考虑(几何、材料)双非线性的稳定分析。

　　 采用ABAQUS软件，使用改进弧长法(Modified Risk Method)对结构进行非线性全过程有限元分析，同时考虑结构的强度、稳定性以及刚度变化。由于结构体系对活荷载不利布置不敏感，因此稳定分析的荷载工况为:恒荷载+满跨可变荷载。图7为结构弹塑性全过程稳定分析的钢屋盖跨中控制点的荷载-位移曲线(其中K为按弹塑性全过程分析时的安全系数)，在加载到2.0倍的(恒荷载+满跨可变荷载)以前，结构基本为弹性工作状态;随着荷载的不断增加，整体结构的承载能力并没有明显的下降。弹塑性大位移整体全过程稳定分析结果显示，钢屋盖的结构弹塑性安全系数为2.21(大于2.0)，钢屋盖满足整体稳定性要求。

　　 按标准展厅施工模拟报告^[9]确定主体结构及主、次桁架的施工工序并进行施工全过程模拟分析。

　　 主要的施工阶段应力情况:1)主体结构形成，屋盖最大应力约60MPa;2)屋盖荷载作用施加后，屋盖最大应力约166.2MPa(图8)。主要阶段应力结果与SAP2000软件的计算结果一致。因此可以认为主体结构及屋盖桁架施工完成后的应力状态与设计一致。

　　 工程中桁架与柱连接的节点(图9)杆件多、受力复杂，采用ABAQUS软件对主桁架与柱连接的节点进行有限元分析，以改进和完善节点构造(图10)。节点荷载采用由整体模型计算出的最不利荷载组合(考虑结构重要性系数的荷载基本组合与中震弹性的包络)，并对其进行包络分析。有限元分析杆件应力除局部应力集中处(应力值约409.3MPa)均小于385.0MPa，对局部应力集中处增加柱内竖向内隔板，增加剪力传递长度以改善该处的应力集中。

　　 工程在建造及使用过程中，受到风力、日照、温差等多种动态作用的影响，受力状态复杂，为此在实际施工过程中采用多种测控手段对该会展中心主体结构进行施工安全监控，并对该结构在实际使用过程中经受使用荷载、风荷载、偶然荷载后进行安全监测，及时了解结构在施工、运营以及遭遇突发灾害时的受力状态、安全水平，以保结构的使用安全和大型展览时的顺利运转。监测部位及内容如表4所示。

　　 结构设计中，采用ABAQUS软件，通过考虑结构几何、材料非线性的动力弹塑性时程分析的方法，对结构的变形、应力进行全过程跟踪。根据抗规的要求，分析采用了一组人工波和两组天然波(Ccel,Ivel波)进行弹塑性时程分析(补充Ccel天然波弹性时程分析作为对比，主方向地震峰值加速度取35gal)。三向地震输入，主∶次∶竖向的地震波峰值加速度比值为1∶0.85∶0.65，主方向地震峰值加速度为220gal，持续时间为30s(人工波)和40s(天然波)。

　　 通过逐层添加构件的施工模拟加载(ABAQUS软件中隐式算法)，得到结构的初始应力状态，再施加地震波对结构进行弹塑性时程分析(ABAQUS软件中显式算法)，计算中全程考虑结构的材料非线性和几何非线性。在地震作用下，结构的弹塑性层间位移角、基底剪力计算结果见表5。罕遇地震作用下的最大层间位移角为1/143(X向)和1/113(Y向)，均小于限值1/50，满足规范要求。

　　 对整体结构进行动力弹塑性时程分析，在罕遇地震作用下，屋盖上弦局部构件出现轻微的塑性应变，最大等效塑性应变<4.5×10^-3。框架柱和下弦构件未出现塑性应变。时程分析中构件的最大等效塑性应变云图见图11。总体而言，结构进入塑性的构件数量较少，塑性发展程度较弱，且基本可恢复到弹性状态。主承重构件(框架柱)基本保持弹性状态，没有发生过大的位移，不会发生整体坍塌，钢屋盖结构是安全的。部分杆件进入塑性后结构仍是几何不变体系，能够消耗地震能量，体现了“强柱弱梁”、“多道防线”等设计意图^[10]。

　　 (1)风荷载的确定对大跨度钢屋盖结构的设计非常关键，风洞试验研究是必需的，采用风洞试验得到的钢屋盖的风振系数和分块体型系数最终保证了计算风荷载的取值的准确性。

　　 (2)通过对钢屋盖结构进行整体稳定性分析得出结构整体稳定性满足要求。

　　 (3)考虑结构几何非线性的动力弹塑性时程分析显示，结构主体采用钢结构，有较好的抗震性能，钢屋盖结构满足“大震不倒”的抗震目标。

　　 工程自2016年6月开始进行方案设计，2017年7月完成全部第一版施工图，2018年9月30日完成全部钢屋盖结构安装，相关的研究、优化工作配合工程进展穿插进行，且其成果均已及时地应用到设计及其后的优化调整中。