北京天安门广场上的红飘带景观,是中华人民共和国成立70周年庆典的临时工程(图1)。由于建设场地重要并独特,且庆典期过后红飘带将被移到其他地方,这就要求设计要兼顾构件运输条件、现场安装速度和多次可拆卸。在保证结构安全、设计合理条件下,增加了结构设计难度 ^[1]。

　　 红飘带景观东西各一组,每组分A区和B区两部分。A区红飘带由北向南呈曲线形态,弧线总长约212m,直线长度约185m。主体结构采用空间钢管桁架体系,A区全长未设结构缝。

　　 为便于描述,将A区红飘带从北向南根据结构受力特点编为A1～A5五个区域,如图2所示。

　　 最靠北侧的A1区为落地区,主要结构形式为悬臂钢管桁架,高度约16m,平面外结构轴线下宽上窄,结构下部轴线宽度近6m,结构顶部轴线宽度约2m;A1区基础直接放在广场地面砖上。A2区也为落地区,主要结构形式从悬臂钢管桁架过渡至空间钢管桁架,高度约16m,平面外结构轴线下宽上窄,结构下部轴线宽度约7m,结构顶部轴线宽度约2～3m;A2区基础位于花坛绿地土层上。A3区为空间造型的双向拱曲,主要结构形式为双向拱形空间钢管桁架;结构平面内跨度约75m,最高点高度约15m,结构自身高度约7.2m,结构平面外悬挑约12m,轴线宽度约3m。A4区为落地区,主要结构形式为空间钢管桁架,仅中间小部分为悬臂钢管桁架,高度约7～8m;A4区基础位于花坛绿地土层上。A5区为悬挑区,主要结构形式为空间钢管桁架,立面悬挑长度约15m。基础采用交叉型钢梁条形基础。

　　 红飘带造型特点造成了其主体结构呈现大跨度曲面拱特征,且其同时出现压、弯、扭复杂受力特点,端部悬挑跨度大。同时还有一系列特殊条件限定,形成了本工程不同于一般常规结构的设计难点与技术挑战。

　　 首先,是建设条件的多种限制。现场不能采用焊接、单个模块运输高度不能超过2.5m,宽度不能超过6.0m、不能损伤和改动广场既有的铺砖、管线及周边设施。广场砖区的红飘带基础宽度不能超出幕墙表皮宽度,且不能开挖、移动广场铺砖;草坪区的基础埋置深度有硬性限制,不能超过-1.4m。在广场的施工全周期不能超过两个月。实际从基础钢梁进场到上部钢结构合拢的施工时间不到四周。

　　 其次,是地质勘察受限。由于广场的特殊性,不允许对地下和土层进行勘探。通过借鉴调研广场周边区域以往的岩土工程勘察资料,并综合北京地区工程地质的经验参数,初步推断了广场的地基参数的取值范围,并分析了不同地基条件对上部结构内力的影响。此部分内容将在文献[2]中详细论述。

　　 再有,抗风安全性控制指标缺乏明确规定。A3区结构为双向拱曲(图3),现行规范对双向拱曲结构的变形控制指标也没有明确规定。

　　 风荷载是本工程设计的主要控制参数,结合现场使用环境有针对性地开展风工程专项研究。

　　 本试验在中国建筑科学研究院风洞实验室进行。根据风洞阻塞度要求、转盘尺寸及原型尺寸,试验模型缩尺比确定为1∶130。该大气边界层风洞为直流下吹式,在高速试验段进行。试验测量了模型在不同风向角下的表面压力分布,从 0 °风向角开始,每隔10°测量一次,准确实测了红飘带模型在36个风向角下的表面风压分布规律 ^[3]。并对结构进行模态分析,提取风振响应需要的结构动力特性。A区红飘带以东侧为例,最不利体型系数发生在30°风向角和220°风向角。体型系数范围:正风压区集中在0.8～1.1,个别位置极值2.6;负风压区集中在-0.8～-1.3,个别位置极值-2.8。风振系数最大值1.5。最不利位置有两处:一处在A2区弧形内凹处,另一处在A3区双曲拱桁架中部(图4)。

　　 综合分析国家现行标准要求、广场历史实测气象和风速资料、红飘带工程显示屏的使用功能尤其是显示屏的变形精度要求,结合工程重要性指标,提出了拆分抗风设计指标:变形计算风压取值0.3kN/m²(重现期10年)、强度及稳定计算风压取值0.45kN/m²(重现期50年)。兼顾安全性和经济性。风载体型系数及风振系数均按风洞试验结果取用。

　　 另外,依据结构设计理论相关原理,参考《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[4]附录,制定变形控制指标,见表1。

　　 针对建设条件的要求和限制,将红飘带上部主体结构和基础结构全部设计成系列钢结构模块单元,工厂完成模块单元制作,现场拼接全部采用螺栓连接。

　　 主体结构为独立相贯焊钢管桁架结构模块单元,结构模块单元之间用短牛腿法兰盘连接,上部结构单元的下端钢管与H型钢基础梁上的钢管短柱用法兰盘连接。结构模块单元可进行多次无损伤快速组装和拆卸,实现快速全装配化(图5)。本工程采用双向条形基础,条基的地基梁为焊接H型钢,与地基之间无附加固定措施。通过布置配重抵抗结构倾覆力矩,利用基础梁与地面的摩擦力抵抗风荷载引起的结构底部水平推力和曲拱拱脚推力。

　　 A区、B区桁架钢管采用直焊管和无缝钢管,基础梁采用焊接工字钢,均使用Q355B级钢。主要结构构件规格:桁架弦杆ϕ219×10,ϕ299×16,ϕ400×16,腹杆ϕ159×6,ϕ180×8,基础钢梁H1 000×495×20×30,H400×200×8×13。

　　 采用MIDAS和ANSYS计算分析软件对结构进行多种工况下的受力分析。红飘带工程的安全等级取为一级,结构重要性系数取1.1。结合构筑物曲面体形进行分区,将A区划分为多个风荷载受力区域,各自区域内取相同的风载体型系数和风振系数,分区域施加风载。

　　 前期方案为上下等宽的矩形截面,结构计算结果偏柔。在不影响建筑效果的前提下进行结构优化,于A2区背面增加斜背撑,将横断面由原来的矩形加厚为上窄下宽的梯形(图6)。从表2可以看出,增加斜背撑后,A区结构周期明显减小,整体刚度增加。结构系统更加远离风能量比较大的频率区域,减小了风载对结构的作用。

　　 从表3可以看出,结构变形小于允许值,很好地满足了显示屏的使用要求。除拱脚处个别弦杆应力比接近0.90外,其他杆件应力比均小于0.85,抗倾覆及抗滑移也满足相关规范规定。

　　 结构主要计算结果详见表2、表3及图7,各项结果均满足设计指标控制要求 ^[5]。

　　 红飘带A3区为双向拱曲,结构存在整体失稳的可能性,因此以非线性有限元分析为基础,对结构进行了荷载-位移全过程分析,在此基础上确定其稳定承载力。计算分别取恒载+X向风载和恒载+Y向风载两种荷载组合,考虑了几何非线性和初始几何缺陷,按弹性材料进行全过程分析。初始几何缺陷分布采用结构的最低阶屈曲模态,两种荷载组合下的第一阶屈曲模态如图8,9所示。恒载+X向风载模型的初始几何缺陷位于A1区起点位置悬臂上端,初始几何缺陷最大值取1/150悬臂高度;恒载+Y向风载模型的初始几何缺陷位于A3区拱曲顶部偏A4区范围,初始几何缺陷最大值取1/300拱曲跨度。

　　 两种荷载组合下控制节点的荷载-位移曲线如图10,11所示,达到稳定承载力极限时结构的变形如图12,13所示。从计算结果可以看出,恒载+X向风载组合下的整体稳定性系数为12.5,恒载+Y向风载组合下的整体稳定性系数为6.6,均满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010) ^[6]整体稳定性系数K≥4.2的规定。由于A3区拱顶偏A4区范围结构高度最小、平面外宽度最窄,结构刚度最薄弱,因此恒载+Y向风载模型的整体稳定性系数较小。

　　 红飘带基础一部分放置在草坪上,一部分直接放置在广场地面砖上,需协调两种软硬不均匀地基的沉降差。后期由于进场施工时间限制,无法提前布置配重预压变形,设计调整为修改上部结构——预先分析计算草坪和广场地面砖交界处可能产生的沉降差,实现了在适应相邻拼装模块单元地基条件明显不同、且不甚明确条件下,结构整体的合理设计。此部分内容将在文献[2]中详细论述。

　　 对下部交叉基础钢梁体系,按相应拼装尺寸进行纵横模块划分。基础钢梁模块间为简支,现场仅用螺栓连接腹板。对上部钢管桁架,依据不同区段的结构受力特点,进行预制模块单元的切分,尽量降低切分对结构受力合理性产生的影响。上部桁架模块单元间用法兰盘连接,实现模块单元多次重复拆装。

　　 对受力以悬臂为主的落地区桁架(A1,A2,A4区),提出竖向切分大小预制模块单元、混合装配的优化设计技术。对以弯曲受力为主的拱曲桁架区和悬挑区(A3,A5区),提出了水平向类似彩虹条的切分方案。A3区大部分和A5区在水平向设计为三跨立体桁架,采用受力最大的上、下边跨设为水平向立体桁架模块单元、中跨腹杆设计为散件的拼装方案;A3区靠近A2区部分在水平向有四跨立体桁架,切分时中部增加一榀水平二维桁架,上、下边跨及腹杆处理同前(图14)。A3区大跨拱桁架的两端落地点,各设置三跨竖向桁架的拱脚加强段,单独处理。

　　 为有效控制安装误差,一方面和钢结构制作安装单位密切合作,合理设计施工工序。在郊区场地预拼装时,施工按照A1～A5区顺次拼装,虽易对孔但累积误差会大。积累第一次的拼装经验后,在天安门广场拼装时,调整为先拼装A1,A2,A4三个落地区,后拼装A3起拱区和A5悬挑区。施工顺序的优化,有效减小了结构整体拼装变形。另一方面在落地区的几个特定位置,将某一榀独立塔架调整为没有竖杆只有散件腹杆,并最后安装,为可能产生的施工误差预留调节余地。

　　 采用大型预制结构模块单元进行现场装配施工是缩短现场施工时间的有效方法,而从加工厂到广场的市内街道运输限制了结构模块单元的尺寸不能过大。采用小型模块单元虽便于运输,但现场组装工作量大、现场螺栓拆装数量大,建造时间周期长;且实现上万套螺栓现场准确对孔安装的精度难保证。因此在初设阶段就和钢结构制作安装单位密切合作,准确分析道路运输条件,对模块单元的划分进行优化。以落地区塔架为例(图6),沿厚度方向的初始切分方案为前、后双塔架,构件加工和现场螺栓安装量都较大,现场施工时间长。优化后,用足运输道路宽度,改为后侧单斜杆背撑+前塔架。优化后螺栓安装量大大减少,现场施工时间缩短。实现了在最大限度运输条件许可下,模块数量和尺寸最优、结构受力合理性最优、现场螺栓拆装数量最少的整体结构组装方案。

　　 技术上,所有的现场作业只能采用螺栓连接,且要求结构能反复拆装。所以螺栓及连接副接触面不做特殊处理,仅初拧手工拧紧。现场全螺栓连接不仅对部件和单元的加工安装精度要求高,还直接关系到结构整体安全性。像A3区拱脚加强段这一关键节点,法兰连接需要的螺栓数量多,过大的法兰盘将凸出幕墙表皮。经过多种方案比较和尝试,最后改为十字插板螺栓连接节点。但排布螺栓时发现插板尺寸过长,又与旁边斜腹杆的节点板发生冲突。最终通过将十字插板节点旋转45°避让的方式解决(图15)。

　　 因运输条件限制,将A3区拆分为多个大拼装单元。为便于运输和现场安装,大拼装切分位置不是选在将腹杆切断,而是每个拼装单元自身均有完整的竖向杆件,通过双竖杆间短牛腿法兰盘连接,相当于双竖杆与水平法兰形成平行弦桁架。因而法兰盘节点除轴力外,还有较大的弯矩和剪力,极大地增加了节点的设计难度。内力最大的法兰拼装节点为A3区双侧拱脚部位,如图16所示。由构件弯矩和轴力算出每个螺栓的轴力,由构件剪力算出每个螺栓的剪力,再验算法兰同时受剪和受拉的承载力。

　　 针对该工程体型独特、建设条件受限、抗风安全等设计指标无明确规定等设计难点,提出预制钢结构模块单元、现场全部螺栓连接的设计理念,制定合理的抗风安全等控制指标,进行详尽细致的分析计算,根据限制条件合理划分模块单元,创新节点构造方式,实现了短时间内模块化全螺栓装配式施工。钢结构模块化设计和装配化施工的建造理念得到充分检验,对今后全装配钢结构模块单元的设计具有很好的借鉴意义。