上海国家会展中心项目位于上海市西部青浦区徐泾镇,用地面积85.6万m²。项目总建筑面积约147万m²,地上建筑面积127万m²,其中会展面积为53万m²。建筑整体外形形如“四叶草”造型(图1),分为A,B,C,D四个外形相同且各自独立的展厅(图2)以及中心圆环E展厅和四处入口处F展厅。各展厅又细分若干小单元,如B展厅(图2中虚线范围所示)细分为B1展厅和B0展厅两部分。其中,B1展厅面积共13.6万m²,建筑高度43m(图3),纵向总长度约270m,横向总长度约341m,屋顶结构标高41.9m,B1展厅为单层展厅,无地下室。本文主要对B1展厅屋盖结构设计进行介绍。

　　 B1展厅的下部支承结构采用钢筋混凝土框架结构体系,屋盖结构采用截面形式为空间倒三角形的钢管桁架结构体系。项目存在平面不规则、竖向不规则等不规则项,另外存在大跨度、大悬挑、支承结构为单跨框架高层建筑等特点,属于超限结构。

　　 B1展厅屋盖结构整体平面尺寸约为341m×270m。纵向长度约270m,支承屋盖桁架柱等间距布置,柱距均为18m。横向长度约341m,屋盖横向桁架跨度分别为108,45,108m,两端分别悬挑,最大悬挑长度为40m,如图4所示。

　　 本展厅单体平面尺度超大,为减少纵向温度作用,简化结构布置,结合建筑平面沿纵向两道展厅通道的具体位置,将屋盖结构沿纵向分为三个结构单元(单元Ⅰ、单元Ⅱ和单元Ⅲ),结构单元最大宽度为90m;相邻结构单元间距为18m,通过屋面檩条连接。各结构单元沿纵向于桁架支座位置设置四道联系桁架,联系桁架采用空间倒三角形式。各单元纵向端跨设置屋面水平支撑,水平支撑间采用系杆联系各榀横向桁架。

　　 本项目结构设计使用年限50年,耐久性年限100年;建筑结构安全等级为一级,基础设计等级为甲级。建筑抗震设防类别为重点设防类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,地震分组为第一组,特征周期为0.90s。本项目结构耐火等级为一级。

　　 风荷载取0.60kN/m²(100年一遇)用于承载力计算,取0.55kN/m²(50年一遇)用于位移计算。地面粗糙度类别为B类。风荷载最终取风洞试验与规范包络设计。

　　 根据当地情况,计算时温度取值为±30℃,屋盖结构合拢温度为15～20℃。

　　 根据结构体系及其受力特点,确定本项目主要构件抗震性能目标如表1所示。

　　 本项目难点:建筑平面尺寸超大,单体建筑面积达85 470m²。建筑设计要求屋面需要保持为一整体,同时从严控制预算,尽量减少用钢量。屋面及下部结构超长,温度作用非常明显。针对上述条件,屋盖桁架结构横向中间两个支座采用抗震球铰支座,两端支座采用弹性钢支座。纵向将屋盖及下部结构分为三个结构单元(图4),单元间通过屋面檩条连接,即一端固定铰,另一端为滑动铰。通过檩条的此类连接方式,既保证了建筑屋面形态的完整性,又简化了传力路径,受力更为合理且降低了结构分析的复杂性。温度作用详细论述见文献[1]。

　　 由于存在多跨连续和端部悬挑,结合建筑外观特点,采用桁架结构较好。针对桁架结构,着重从悬挑长度和桁架矢高两方面入手。为改善屋盖桁架受力性能,选择合适悬挑长度,使其符合增大结构刚度、降低结构内力的力学规律。最终桁架悬挑端产生的最大负弯矩与相邻跨跨中产生的正弯矩基本一致,见图5。就矢高而言,逐步增大结构矢高,确定适宜矢高以增大结构刚度,一方面降低弯曲作用产生的内力以减小上、下弦杆的截面,另一方面降低剪力作用产生的内力以减小腹杆截面。

　　 桁架结构的平面外稳定是结构设计中重点考虑的内容,桁架结构的稳定性与屋面支撑系统布置方案息息相关。本项目深入分析了屋面支撑的布置方式、布置间距及传力效率情况,认为屋面水平支撑对于桁架结构水平作用传递和保障桁架结构稳定性的作用非常大,屋面水平支撑布置间距影响水平作用传递效率和桁架的稳定性能。本项目通过特征值屈曲分析、非线性稳定性分析、动力弹塑性分析等手段,采用简洁明确的支撑体系,改善了支撑的布置形式、优化了结构布置方案、降低了工程量、方便了结构安装。纵向支撑仅在支座处设置纵向桁架(图4)。

　　 稳定性分析结果 ^[2]表明:桁架上弦杆件间距与桁架结构高度之比大于1/3时,基本上不会发生整体失稳破坏。本项目由于屋面交叉支撑的作用,桁架屈曲表现为联系系杆间的局部屈曲形态,如图6所示。通过施加初始几何缺陷,几何非线性荷载系数为9.7,易满足要求。但几何及材料非线性荷载系数较难满足要求,桁架破坏形式基本上以局部构件(截面较小的腹杆)强度破坏为主。最终通过人为加大局部构件截面使几何及材料非线性荷载系数达到2.1,满足设计要求。实际上以受弯为主的桁架结构,若非整体失稳控制时,同时考虑几何和材料双非线性分析时荷载系数控制限值值得商榷。

　　 屋盖桁架悬挑长度最大约40m,对于恒载、活载等一般竖向荷载而言,由于与相邻的一跨跨度尺寸较为协调,此悬挑长度属于经济的悬挑尺寸。但是,风荷载对大悬挑结构非常不利,应采取有效措施切实克服风荷载的不利影响。本项目屋盖桁架悬挑端范围内周圈均设有装饰柱廊,装饰柱廊可作为桁架悬挑端的抗风拉杆使用,即装饰立柱内部设置高强度钢拉杆充当抗风拉杆。抗风拉杆仅承担风吸荷载作用产生的拉力,不承担竖向荷载作用可能产生的压力。经过分析,采用抗风拉杆后,结构的整体变形和内力均有较大改善,内力最大幅值可降低约80%～165%,见图7和表2。抗风拉杆分析可通过合理调整构件施工顺序完成。由于装饰立柱悬挂于上部桁架,柱截面可尽量小且可按照建筑要求的任意外观形式设计,这在一定程度上也降低了工程成本。

　　 以下分析均以单元Ⅱ为例,具体结果如下。

　　 为保证分析结果的可靠性,采用MIDAS Gen和SAP2000对单元Ⅱ屋盖结构进行了振型分析并进行充分比较,其中单元Ⅱ屋盖结构前4阶频率、周期见表3。由表3可以看出,MIDAS Gen和SAP2000计算结果吻合非常好,说明计算分析结果可靠。

　　 标准组合1.0恒载+1.0活载作用下,跨中最大位移为-222mm(图8(a),负号表示位移向下),相当于结构跨度的1/487;活载作用下,跨中最大位移为-93mm(图8(b)),相当于结构跨度的1/1 161。标准组合1.0恒载+1.0风荷载作用下,跨中最大位移为246mm(图8(c)),相当于结构跨度的1/439。由于抗风拉杆作用非常关键,设计时尚需考虑抗风拉杆退出工作的情况,此时悬挑端部最大竖向位移为246mm,相当悬挑跨度的1/161,仍满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010) ^[3](简称空间网格结构规程)要求。

　　 最不利包络组合下结构杆件的最大拉应力约为137.6N/mm²(图9(a)),最大压应力约为-124.8N/mm²(图9(b))。结构杆件最大应力小于295 N/mm²,满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003) ^[4]要求。

　　 采用MIDAS Gen和SAP2000对屋盖结构进行了静力分析和反应谱分析,整体分析结果一致性良好,表明分析结果可靠。以竖向刚度和用钢量为目标,经过优选,空间倒三角形桁架上弦间距为5m,桁架结构最大高度为6.5m。桁架各构件设计结果为:腹杆截面采用ϕ180×8～ϕ299×12共8种规格,上弦杆截面采用ϕ426×16～ϕ450×20共4种规格,下弦杆截面采用ϕ560×18～ϕ600×30共4种规格,材质均为Q345B。抗风拉杆为实心钢棒,截面为ϕ120,材质为Q550。

　　 针对超出国家规范规定外的少量节点形式进行专项研究。本项目选取两个有代表性的节点,对其进行有限元分析。

　　 主桁架与联系桁架上弦相交处节点三维模型如图10所示。弦杆截面为ϕ450×20,ϕ219×8,腹杆截面为ϕ325×14,ϕ299×12,ϕ194×8等,弦杆未设置加劲肋。由于杆件主要以轴力控制为主,所以节点分析时忽略剪力及弯矩的影响。在最不利组合作用下节点应力分布见图11,最大应力约为362.99MPa,位于两支管相贯处,即应力集中区域。计算分析表明,节点除个别区域因应力集中达到屈服,其余部分应力均比较小,远小于设计强度,满足要求。

　　 支座处节点三维模型如图12所示。弦杆截面为ϕ600×30,ϕ273×10,腹杆截面为ϕ325×14,ϕ299×12,弦杆未设置加劲肋。腹杆以轴力控制为主,只考虑轴力的影响。此处弦杆受力较为复杂,分析时要同时考虑多种内力的复合受力状态。在最不利组合作用下节点应力分布见图13,最大应力约为345.26MPa,位于两支管相贯处,即应力集中区域。计算分析表明,节点除个别区域因应力集中达到屈服,其余部分应力均比较小,远小于设计强度,满足要求。

　　 采用SAP2000对结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。根据地震动的频谱特性以及结构自振特性等参数,选择了两条天然波及一条人工波。为简化计算,屋面交叉支撑不参与整体分析。

　　 三条地震波作用下桁架跨中位移如表4所示。由表4可以看出,跨中最大竖向变形为268.7mm,挠度/跨度=1/402(跨度=108m),满足空间网格结构规程要求。

　　 在X向地震下,屋盖桁架基本未出现塑性铰;在Y向地震下,屋盖桁架弦杆、上下弦间斜腹杆等主要构件均未出现塑性铰,仅支撑构件出现塑性铰,且绝大部分处于或低于CP阶段(图14)。屋盖桁架各构件均满足抗震性能目标的要求。

　　 (1)对于超大体量建筑,通过合理划分结构单元并采取适宜连接构造,不仅可解决因结构超长、超大带来的系列问题以及降低结构分析的难度,还可以有针对性地解决屋面系统的渗漏问题。

　　 (2)通过合理布置屋面支撑系统,不仅可优化结构布置、简化施工和降低工程量,也可以很好地保证桁架结构的整体稳定性。

　　 (3)屋盖桁架结构设计时,应区分是强度控制还是整体稳定性控制,针对不同控制应采取不同应对策略。

　　 声明:上海国家会展中心项目为联合设计,清华大学建筑设计研究院有限公司承担B展厅设计工作,其余设计由华东建筑设计研究总院完成。