深圳国际会展中心北登录大厅结构设计
1 工程概况
深圳国际会展中心项目
2 设计条件
北登录大厅建筑外轮廓尺寸约为530m×128m,其中楼面轮廓尺寸约368m×110m,典型建筑楼层平面及装饰屋面投影如图2所示。考虑建筑造型需要,装饰屋面切分为两个屋面,东西对称,轮廓尺寸约为186m×128m,长度小于300m;最大柱距为45m,柱顶采用分叉柱的形式与装饰屋面网格结构连接,支点间间距为27m,跨度小于120m。结合建筑楼面布置的特点,在中央廊道两侧设缝脱开(图2中虚线所示),结构单元长度小于300m。
该工程抗震设防烈度为7度,设计地震基本加速度为0.1g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.45s。抗震设防类别为乙类。主体结构设计风荷载按50年一遇基本风压,为0.75 kN/m2,装饰金属屋面风荷载设计按100年一遇基本风压,为0.90kN/m2。地面粗糙度类别取A类。
深圳属南亚热带季风气候,长夏短冬,气候温和,日照充足,雨量充沛。年平均气温22~24℃,最热月平均温度28.1℃,最冷月平均温度14.1℃;极端最高温度38.2℃,极端最低温度1.2℃。深圳地区某年气温统计资料如表1所示。
主体部分设计温度:合拢温度取20~25℃,考虑混凝土在使用期间的建筑面层做法及室内空调的影响,最高温度取最热月平均温度,最低温度取最冷月平均温度,则整体温差取升温15℃,降温-15℃。
范重等
深圳平均风速约为2.7~3.1m/s,项目所在地临近海边,且周边空旷,风速较大。构件出厂时,已涂装灰色中间漆和底漆。钢结构部分设计温度:合拢温度取20~25℃,综合多因素考虑,温度取至极值温差,则整体温差取升温+20℃,降温-20℃。
设计使用年限为50年,结构安全等级取一级,结构重要性系数取1.1。地基基础设计为甲级,建筑桩基安全等级为一级,钢结构抗震等级为三级,建筑结构构件耐火等级为一级。
3 主体结构设计
地上主体结构为钢框架结构体系,登录大厅整体计算模型如图3所示。柱截面为圆钢管柱或圆钢管混凝土柱,其中圆钢管柱截面为Ф400~Ф1 000,圆钢管混凝土柱截面Ф1 000~Ф1 200,管内浇筑C60混凝土,钢管壁厚20~40mm不等,柱截面在地上部分等截面通高设置。钢梁、钢柱均采用Q345B钢材(支承金属屋面的柱采用Q390B,金属屋面构件采用Q390B)。
登录大厅典型柱距9m,大跨度柱距有18,27,45m等。除45m跨度范围采用桁架结构体系外,楼面均采用单向次梁结构体系。上翼缘铺压型钢板混凝土组合楼板的梁考虑组合梁效应,计算方法采用钢结构规范
对于挠度不满足要求的大跨度构件,通过计算设置预起拱值,考虑起拱后的构件挠度满足规范要求。楼盖结构的竖向自振频率均大于3Hz。
装饰金属屋面的主体支承结构采用钢网格结构体系
北登录大厅国际报告厅跨度45m,上部为结构上人屋面层,含轻餐饮等业态功能,有景观覆土,荷载较重。国际报告厅内部有多条面光桥马道,舞台机械、灯光、吊顶造型等(图5和图6),采用平面桁架的结构形式,桁架间距9 000mm,桁架上下弦中心高度约4 100mm。初设阶段,对桁架的布置形式进行了多方案比选,综合结构造价和刚度等因素,最终确定采用压杆起步的桁架形式;为减小桁架支承框架柱的弯矩及柱截面尺寸,桁架往周边延伸一跨。桁架支承框架柱采用截面为Ф1 000×20,Ф1 200×30,Ф1 300×34的圆钢管混凝土柱,管内浇筑C60混凝土。
桁架下弦设有吊挂钢梁系统,吊点间距4 500×9 000,因此桁架间设置次梁,间距4 500mm,可兼做桁架下弦的面外支撑,以提高结构整体稳定性。
考虑到吊挂荷载的不均匀布置、面光桥马道标高不一等因素,吊索可能在桁架下弦面外产生一定的水平力,且桁架承担荷载较重,通过结构选型对比分析最终采用了图7所示的桁架布置形式,与柱刚接,并往里延伸一跨。应吊顶净高要求,实际桁架杆件中心最大高度4 100mm。
屋面层南北向宽度约110m,排水较为困难,考虑3%的结构找坡来实现,相应调整桁架上弦标高。
4 入口拉索幕墙设计
登录大厅东西两侧入口,有外倾的拉索幕墙(图8),竖向倾角约27°,通过设置双层马鞍面索网来实现。为了满足自重作用下玻璃幕墙变形的限值要求,拉索需要施加很大的拉力来形成整体的张力和刚度,因此对边界条件(边框)的承载能力和变形能力要求非常高。拉索上端设置巨大的拱结构来提供拉索的锚固点,拉索下端通过厚重的门框结构来承担索的拉力。
拱结构倾角较大,自重作用下有较大的倾覆力矩,最好与主体结构形成拉结,通过主体结构的整体刚度来平衡该倾覆力矩。但拉索对边界条件的变形非常敏感,如果拱与上部结构共同受力,拱的变形将有可能变化,进而影响索网的效率,变得不可控。因此仅拱结构的顶端与两根由主体结构伸出的短柱联系,采用长圆孔连接,只为拱结构提供水平约束,不承担竖向力,如图9、图10所示。
5 节点设计
5.1 网格分叉柱节点
原方案分叉柱与屋盖网格结构的连接节点拟采用变截面锥管柱与网格梁下翼缘板连接。根据以往项目经验,节点设计应全面分析其传力路径的可靠性和节点细部构造可能产生的影响,方能确保设计安全
5.2 分叉柱铸钢节点
支承屋盖结构的柱在分叉位置一变四,均为圆钢管构件,如采用普通的焊接节点,各分叉柱仅有一个点与下段柱相切,其余柱壁板均悬空,且四个柱的壁板分布在不同的区间,需要通过一定的构造措施来实现过渡,实施困难且难以保证直接传力,故采用铸钢节点的连接形式。铸钢节点的剖面图和三维实体模型如图12和图13所示。采用ABAQUS软件对铸钢节点进行复核验算,此铸钢节点满足小震各工况弹性、中震弹性和大震不屈服的性能目标,节点设计合理可靠。
5.3 梁上柱节点
局部楼层因功能需要,设置梁上抬柱。梁截面为H型钢,柱截面为圆钢管。为了验证该类连接节点传力的有效性,需要采用实体有限元进行复核。梁长9m,按梁端固接考虑位移边界条件;柱长1.2m,根据SAP2000软件的计算结果,柱轴力1 662.01 k N,X向弯矩622.093kN·m,Y向弯矩247.121kN·m,X向剪力12.55kN,Y向剪力93.02kN。在有限元模型柱上端施加力边界条件,数值根据前述SAP2000的计算结果取值,建立图14所示的ABAQUS有限元计算模型。
经ABAQUS计算分析,梁端最大应力为200.2MPa(图15、图16),小于构件材料的屈服强度设计值295MPa。柱端最大应力为184.8MPa(图17),小于构件材料的屈服强度设计值295MPa,应力比约为0.626,与SAP2000软件计算结果(应力比0.641)基本一致。柱下梁翼缘板的应力约为120MPa,小于柱的最大应力,可满足要求。加劲板的最大应力为144.2MPa(图18),小于材料的屈服强度设计值,构造满足要求。
6 结语
本文主要介绍了深圳国际会展中心北登录大厅结构设计的相关情况。通过结构选型和对比分析,确定了国际报告厅屋面结构的桁架形式;通过金属屋面钢结构屋盖、拉索幕墙节点、网格分叉柱节点、分叉柱铸钢节点及梁上柱节点的设计等一系列工作,解决了结构设计和施工中的多项关键技术问题,保证了建筑功能和效果的实现。
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