长沙国际会展中心(图1)位于长沙市浏阳河东岸的南部发展带。整个工程包括南北登录厅、展馆、连廊、室外展场四个部分,总建筑面积约445 100m²,室内展览面积177 500m²,室外展览面积85 000m²。共包含6组12个单层展厅,每组展厅由两个形态相同、呈镜像布置的单层展厅和连接二者屋盖的鱼腹形连接构件组成,展厅屋盖呈反天际线形态,彰显潇湘水韵、山水长沙的城市特点。工程分两期建设,一期包含北侧登录厅和4组8个展厅。一组两个展厅的三维效果见图2,其平面投影为207m×163m,屋盖结构最大跨度81m,屋盖结构高度为18.9～32.1m,展厅相邻柱距为18m,下凹形屋盖垂跨比为1/40。展厅剖面效果如图3所示。

　　 本工程在每个展厅X向两侧设置设备用房,对比了钢筋混凝土框架结构、钢框架-支撑结构、钢管混凝土柱+混凝土梁结构和钢管混凝土柱+钢梁结构4种方案 ^[1],并从建筑功能、经济性、施工难度和速度等方面进行综合比选,由于钢管混凝土柱+钢梁结构的柱截面较小,可减小对设备用房的占用面积,连接节点简单、施工便捷成熟、装配化程度高,设备用房最终采用钢管混凝土柱+钢梁结构。展厅Y向两端设置玻璃幕墙,采用典型的梁柱结构。单个展厅楼面及立面结构轴测图见图4。

　　 展厅屋盖垂跨比仅1/40,若利用悬垂的受力性能会导致屋盖产生过大变形,引起漏水等问题。基于结构不可突出屋面的设计限制,根据屋盖形态和支承条件,对比了桁架结构、张弦桁架结构和张弦梁结构 ^[1],3种方案示意图见图5。3种方案的结构高度均为6m,室内净高相同,且均可满足规范 ^[2,3,4]的相关要求。展厅大空间内不设吊顶,屋盖结构完全外露,桁架结构和张弦桁架结构中桁架构件繁多,影响室内效果,而张弦梁结构仅由贴合屋面形态的主梁、序列化的竖直撑杆和纤细的拉索组成,简洁且优雅的结构创造了巨型空间,刚柔相济,与建筑风格协调统一 ^[5,6,7,8]。

　　 由于展厅功能需求,屋盖结构承担1kN/m²的吊挂荷载,屋盖竖向变形主要由活荷载引起。张弦梁结构中索撑结构体系的价值正体现于对屋盖变形进行主动+被动双重控制。在施工过程中,拉索预张力导致屋盖结构产生反拱,对屋盖变形进行主动控制 ^[9];在使用过程中,随竖向荷载增大,屋盖变形增大,拉索张力增大,对屋盖的弹性支承作用增强,对屋盖变形进行被动控制。双重控制有效避免了屋盖发生过大变形。基于以上原因,展厅屋盖最终采用张弦梁结构,其结构轴测布置见图6,典型单榀张弦梁立面见图7。

　　 考察屋面交叉支撑布置形式的效率,对比无交叉支撑、周边交叉支撑、日字形支撑和田字形支撑(图8)4种屋面支撑的布置方式对建筑观感和屋盖抗侧、抗扭性能的影响。

　　 由表1可知,与无交叉支撑方案相比,周边交叉支撑方案跨中测点水平位移减小约33%,说明在屋盖周圈布置支撑可显著提高屋盖水平刚度,改善水平力的传递。与周边交叉支撑方案相比,日字形支撑和田字形支撑跨中水平侧移均减小约15%,两端水平测点位移差均减小约17%,说明屋盖中央沿X向布置的支撑对提高屋盖抗侧刚度和抗扭刚度贡献较大,而沿Y向布置的支撑基本没有贡献,综合考虑建筑室内观感和结构刚度的要求,采用日字形支撑的布置方案。屋面支撑布置方案综合对比结果见表2。

　　 通过对比刚性支撑和柔性支撑两种方案,二者结构刚度差异较小,但柔性支撑对室内观感有显著提升,因此屋面交叉支撑采用公称直径40mm的高钒索,其材质与张弦梁拉索材质相同,色泽一致,且距离人群较远,室内效果可满足建筑师的需求。

　　 展厅Y向两端采用玻璃幕墙,营造通透的室内效果,如图10所示。建筑采用开洞H型钢作为玻璃幕墙抗风柱。将特殊构件作为典型的建筑元素,彰显机械感的建筑特点。为充分表达建筑意象,张弦梁撑杆位置与玻璃幕墙抗风柱相对应,同样采用开洞H型钢,整个展厅构件之间相互呼应,机械感更加浓厚完整。张弦梁撑杆照片如图11所示,幕墙抗风柱照片如图12所示。

　　 在计算过程中将开洞截面简化为以两个T形截面为弦杆的空腹桁架截面,考虑关键参数的刚度折减。以张弦梁撑杆为例(图11、图13),撑杆截面为H436×300×30×30,洞口宽度236mm,单个洞口长度770mm,相邻洞口间距280mm,洞口之间腹板仅作为联系翼缘的构造,计算中不考虑此部分腹板对截面强度的贡献。由表3可知,腹板开洞后,H型钢撑杆截面面积减小24%,而截面模量和惯性矩仅减小4%。常规张弦梁撑杆以承受轴压力为主,本项目撑杆材质为Q345B,其最大轴压力为700kN,轴力引起的开洞H型钢撑杆构件应力也仅仅为31.5N/mm²,远小于撑杆构件强度设计值295N/mm²。撑杆截面选取主要基于以下几个方面:1)增大撑杆高度以提高撑杆的抗弯承载力,腹板开洞对撑杆抗弯承载力影响较小,满足张弦梁面外稳定性的要求;2)撑杆截面与巨型主梁截面、双索截面协调,保证二者内力的相互作用可通过撑杆顺利传递;3)撑杆截面高度与主梁宽度相近,撑杆上端节点美观完整;4)满足强调张弦梁撑杆序列感、机械感、呼应感的建筑诉求。

　　 张弦梁上部刚性梁贴合屋盖布置,主梁为下凹形态。下凹形张弦梁撑杆发生向张弦梁面外的扰动时,拉索长度缩短,拉索张力减小,下凹形张弦梁平面外稳定性较弱 ^[10](图14)。为保障结构安全,设置两道保障张弦梁平面外稳定性的防线 ^[11](图15)。

　　 此节点在张弦梁面内可转动,便于施工张拉;在张弦梁面外具有一定的抗弯能力,防止张弦梁侧向失稳。

　　 采用650级、ϕ35等强合金钢钢拉杆作为拉杆式隅撑。隅撑上端宽度为3m。隅撑下端位于撑杆最下方一个洞口之上,既简化了张弦梁索夹节点,又通过结构细节满足建筑师对室内观感的追求。

　　 本工程屋面微凹,由于垂跨比较小,在竖向荷载作用下,下凹形张弦梁主梁仍受压弯,拉索受拉。与主梁上拱或平直的张弦梁相同,索撑体系为屋盖提供弹性支承点,起到调节主梁内力分布、改善屋盖竖向刚度的作用。分别对3种形态张弦梁结构进行分析,在保证屋盖竖向变形相近的条件下,考察屋面形态和支承条件对张弦梁内力的影响,结果见图16。

　　 由图16可知,支承条件对3种形态张弦梁内力的影响极大,其中对下凹形张弦梁的影响最显著,对上凸形张弦梁影响最小。

　　 对于下凹形张弦梁,在竖向荷载作用下,索撑结构使主梁受压;下凹形态作用使主梁受拉。二者共同作用下,下凹形张弦梁主梁轴压力较小,拉索轴力相近。然而上凸形张弦梁主梁对框架产生向外的推力和拉索产生的向内拉力相互平衡,因此上凸形张弦梁支承框架的柱顶侧移较小。而下凹形张弦梁主梁对框架的侧推力较小,难以平衡拉索拉力对框架侧移的影响,下凹形张弦梁支承框架的柱顶侧移最大,因此下凹形张弦梁对支承框架的抗侧刚度提出更高的要求。

　　 图17为3种形态张弦梁结构在整体模型和单独模型下的荷载-位移曲线。对于单独模型,下凹形张弦梁竖向刚度最大。加载初期中平形和上凸形张弦梁竖向刚度相近,但随着荷载增加,上凸形张弦梁竖向刚度降低速度更快。这是由于随荷载增加,中平形和下凹形张弦梁的垂跨比增大,屋盖竖向刚度增大,使变形增加的速率降低;而上凸形张弦梁矢跨比减小,屋盖竖向刚度减小,使变形速率增大。

　　 对于不同形态的张弦梁,单独模型的荷载-位移曲线形状差异较大,而整体模型的形状相近。但3种形态张弦梁的单独模型与整体模型的荷载-位移曲线差异均较大,因此在分析张弦梁时采用屋盖单独模型会使分析结果出现较大误差,应采用屋盖与支承结构的整体模型进行分析。

　　 由表4及图18可知,张弦梁跨中竖向变形最大,除边榀外,其余榀张弦梁竖向变形相似,由此可知此结构主要为单向传力体系。

　　 在自重+预张力作用下,张弦梁初始状态跨中反拱149mm;在施加附加恒荷载的状态下,张弦梁跨中竖向变形仅34mm,通过控制张弦梁预张力,有效减小了屋盖使用阶段的变形绝对值,使结构成形态与建筑图纸几何基本吻合。

　　 由于展厅吊挂荷载较重,活荷载引起的变形较大,张弦梁通过索撑体系的主动和被动控制,使屋盖结构满足规范 ^[2,3,4]关于挠跨比限值的要求。

　　 展厅玻璃幕墙采用梁柱结构(图19),幕墙抗风柱采用开洞H型钢,分析模型中考虑幕墙结构刚度。

　　 风荷载作用下,玻璃幕墙结构水平变形如图20所示,最大变形位于柱2中间位置。这是由于柱2高度仅次于柱1,但柱1紧邻框架结构,框架结构水平刚度远大于抗风柱,承担了大部分风荷载,因此柱1承受的水平作用力小于柱2。柱2高度较大,距离框架结构较远,负荷面积较大,因此水平变形较大。

　　 抗风柱最大水平变形为46mm,最大弹性位移角为1/487,满足规范 ^[2]对水平变形的要求。

　　 结构前3阶振型均为整体结构的水平振动,未出现屋盖竖向振动,表明对于展厅建筑而言,设备用房主要集中于X向两端,抗侧刚度相对较弱,因此结构水平振动先于屋盖竖向振动出现。屋盖竖向振动模态为第7阶,其自振周期为1.218s,下凹形张弦梁结构具有良好的竖向动力刚度。

　　 结构第3阶为扭转振动,这主要由于建筑要求两个呈镜像布置的展厅之间仅通过单梁连接,且通廊区域不可布置屋面支撑,导致通廊区域屋盖结构刚度较弱,结构发生扭转,但扭转周期比为0.85,小于0.9,满足规范 ^[4]的相关要求。结构前3阶振型及屋盖竖向振型如图21所示。

　　 利用ANSYS对展厅整体模型进行弹塑性极限承载力分析。对下凹形张弦梁撑杆施加平面外1/100撑杆长度的初始缺陷,采用理想弹塑性模型,考察展厅钢结构双非线性极限承载能力。

　　 在自重+预张力不变的条件下,逐渐增加竖向荷载,荷载因子为施加荷载对“附加恒荷载+活荷载”的倍数,荷载-位移曲线见图22。分析结果表明,当荷载因子达到1.6时,张弦梁支座处框架率先进入塑性;当荷载因子达到2.3时,部分撑杆上端节点开始进入塑性;当荷载因子达到2.6时,张弦梁主梁锚固端和跨中开始进入塑性;当荷载因子达到2.8时,结构发生弹塑性强度破坏,结构不适于继续承载。本工程结构弹塑性发展满足规范 ^[3]的相关要求,具有足够的安全冗余度。

　　 当结构达到弹塑性极限承载力时,屋盖竖向变形已达到900mm,撑杆下端水平位移也达到120mm,屋盖结构发生明显变形,起到警示作用。

　　 对于下凹形张弦梁,为保证结构面外稳定性和施工张拉,撑杆上端节点需要在张弦梁面内可转动,面外具有一定的抗弯能力,节点详图及照片见图23,24。本工程采用双板铰节点,节点构造简单、自重较小、施工方便、造价较省。节点数值模拟分析和足尺试验结果表明,增大板铰耳板厚度和采用通长销轴的构造有助于提高节点抗弯承载力。

　　 张弦梁采用并列双索的布索方式,可以有效提高结构安全冗余度,在突发情况下单根索破断时,另外一根索的存在可以避免结构连续倒塌。此外双索可有效减小单根索的预张力,降低施工难度。

　　 索夹节点根据双索量身定制,下半索夹铸钢件边缘上翻,遮蔽索夹侧边缝隙,提高索夹的完整性,使索夹更美观。张弦梁索夹节点详图及照片见图25,26。

　　 张弦梁拉索为ϕ97高钒索,双索并排布置。双拉索直径较大,为减小拉索锚固端节点尺寸,简化节点构造,高钒索采用单耳耳板,节点宽度与主梁宽度相同,主梁腹板向下伸出形成耳板,使节点传力更加直接。张弦梁拉索锚固端节点详图见图27。

　　 (1)展厅屋盖结构外露,建筑观感对结构选型和构件选取的影响较大。屋盖钢结构在结构选型、构件布置和构件优选的过程中,利用结构构件表达建筑意象,使室内观感更优,建筑风格更完整。

　　 (2)本工程创新性地设计了撑杆上端节点,充分利用了特殊构件截面的特点,既突出了建筑特色,又对提高下凹形张弦梁平面外稳定性做出了贡献。

　　 (3)针对下凹形张弦梁平面外稳定性不足的特点,设置保障其面外稳定性的两道防线——撑杆上端节点+拉杆式隅撑。

　　 (4)支承条件对张弦梁分析结果影响较大,对下凹形张弦梁尤为明显,因此张弦梁结构分析应采用屋盖及支承体系的整体模型进行分析。

　　 (5)下凹形张弦梁对支承框架的依赖作用更强,对支承框架的抗侧刚度提出更高要求。

　　 (6)节点构造细节对建筑效果具有一定的影响。