新疆国际会展中心位于乌鲁木齐市水磨沟区红光山路, 是一座集会议、展览、大型庆典活动为一体的国际性场馆, 每年九月的“中国-亚欧博览会”即在此召开。本文论述的是新疆国际会展中心的二期工程, 位于已建成的一期工程的北面, 见图1。二期工程建筑面积203 514m², 平面尺寸为486m×151.5m, 见图2, 地上一层为展厅, 分为左展厅、右展厅和中间展厅, 其中左展厅和右展厅层高均为24.3m, 中间展厅层高为33.3m;局部含夹层 (层高为4.5m) , 为配套管理用房;局部有一层地下室, 层高为10.0m, 为办公用房、餐饮用房、仓库、设备和机动车库等。

　　 本工程设计使用年限为50年, 主体结构耐久性为100年, 结构重要性系数为1.1, 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g, 建筑场地类别为Ⅱ类, 场地土特征周期为0.40s, 展厅、屋盖结构抗震设防类别为乙类, 其余附属结构抗震设防类别为丙类。

　　 本工程风荷载取值参考的是一期工程风洞试验报告^[1], 一、二期的屋盖形式比较相似, 且相比竖向荷载和地震作用, 风荷载影响较小, 设计的基本风压为0.7k N/m² (重现期100年) , 风振系数取1.8。

　　 本工程张弦桁架采用Q345C, 其余构件采用Q345B, Q235B。本文主要介绍展厅结构设计和屋盖结构设计。

　　 展厅结构分为地下一层和地上夹层两部分。根据甲方展览要求, 一层展厅活荷载为50~80k N/m², 活荷载大是本工程结构设计的特点之一。本场地地势南高北低, 北面未设置挡土墙, 建筑地下室为半地下室, 故取基础面为嵌固端。

　　 展厅采用钢筋混凝土框架结构体系, 柱网尺寸为9.0m×9.0m。纯地下室采用井字梁的布置方式, 框架柱截面尺寸为800mm×800mm, 框架梁截面尺寸为700mm× (1 400~1 500) mm, 次梁截面尺寸为300mm× (1 000~1 300) mm, 标准柱网布置见图3;地上夹层支承着大跨度屋盖结构, 局部设置斜撑, 见图4, 张弦桁架直接相连的框架柱截面尺寸为1 600mm×2 000mm (左 (右) 展厅固定支座端) 、1 500mm×1 500mm (左 (右) 展厅滑动支座端) 、1 600mm×1 600mm (中间展厅) 。

　　 展厅屋盖平面布置见图5, 左 (右) 展厅屋盖南北向长120m, 东西向宽180m, 采用单向传力的张弦桁架结构体系, 张弦桁架跨度为120m, 共11榀, 榀距18m, 为保证张弦桁架的稳定性, 沿纵向设置了4道垂直支撑立体桁架, 在屋盖上弦层布置满布的交叉支撑, 见图6。

　　 中间展厅屋盖南北向长150m, 东西向宽90m。北入口为倾斜的拉索玻璃幕墙, 结构采用斜柱 (截面为□1 000×600×20×20, 倾角75°) , 在竖向荷载作用下, 斜柱在柱顶位置将对屋盖产生水平拉力作用, 同时在柱底产生偏心弯矩, 竖向荷载越大, 水平拉力和弯矩越大。为了降低斜柱对屋盖结构的影响, 采用了单向传力的张弦桁架结构, 将屋盖竖向荷载传递到左右两侧的框架柱上, 斜柱只承担边跨屋盖和幕墙荷载。中间展厅张弦桁架跨度为90m, 共9榀, 榀距18m, 正中间榀距为12m, 其中最南侧一榀为普通立体桁架。为保证张弦桁架的稳定性, 沿纵向设置了4道垂直支撑立体桁架, 在屋盖上弦层布置满布的交叉支撑, 见图7。张弦桁架和垂直桁架主要构件规格见表1。

　　 (1) 刚度、挠度计算

　　 本工程对屋盖结构的变形进行“双控”, 控制在1.0恒载+1.0雪载 (扣除起拱) 组合作用下挠跨比不大于1/400, 在1.0雪载作用下挠跨比不大于1/600, 屋盖结构在竖向荷载作用下的变形见表2, 第一竖向振型见图8。

　　 为了降低屋盖在使用过程中的挠度变化, 本工程对1.0雪载作用下的挠跨比提出了比《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[2]更严格的要求。在大跨度结构中, 尽管挠度满足要求, 但挠度值仍很大, 特别是左 (右) 展厅, 屋盖的挠度对悬挂于张弦桁架下的活动移门影响很大, 移门制作时应根据1.0恒载+1.0雪载 (扣除起拱) 组合作用下的挠度预留好调节量, 否则将导致屋面积雪情况下移门不能正常开启。

　　 (2) 稳定计算

　　 张弦桁架整体失稳模态包括立体桁架的弯扭失稳和撑杆的侧向失稳^[3], 通过设置垂直支撑和屋面水平支撑可以避免立体桁架的弯扭失稳。

　　 撑杆的侧向稳定分为三种情况。张弦桁架典型断面侧向变形如图9所示, 拉索等长面是指拉索绕平衡线旋转形成的曲面, 即拉索位于曲面上时长度不变, 反之, 拉索位于曲面以内时拉索变短, 拉索位于曲面以外时拉索变长。从典型断面撑杆变形可以看出, 拉索侧向变形时, 拉索绕弦杆旋转, 形式1拉索变长, 拉索弹性势能增加, 根据弹性稳定理论, 撑杆是处于稳定状态;形式2拉索不变, 撑杆处于随遇平衡状态;形式3拉索变短, 撑杆处于不稳定状态。

　　 左 (右) 展厅张弦桁架对应形式1, 撑杆处于稳定状态, 中间展厅张弦桁架对应形式2, 处于随遇平衡状态, 本工程通过加斜撑杆 (图10) 来保证稳定。经计算屋盖弹塑性稳定承载力系数达到2.8 (图11) , 满足屋盖稳定要求。

　　 (3) 抗震计算

　　 屋盖结构抗震性能目标见表3。在竖向荷载 (基本呈均匀分布) 作用下, 受力最大的构件一般出现在跨中和支座处, 张弦桁架受力基本对称。在水平地震作用下, 滑动端和固定端边界条件的不同导致了张弦桁架受力的不对称, 受力最大的构件则出现在跨度的1/4处, 见图12。

　　 本工程位于8度区, 在中震作用下, 水平地震作用产生的轴力甚至大于重力荷载代表值产生的轴力, 地震组合的内力分布规律性不强。

　　 在产生支座滑动的组合中, 水平地震工况的位移是左右对称的, 重力荷载代表值的方向是确定性的, 因此总滑程是不对称的。实现不对称滑程有两种方式, 见图13, 方式2需要在钢结构放样时根据准永久值下的滑动位移对支座节点的位置进行调整, 但支座安装简单且支座反力对下部支撑柱的偏心更小, 因此本工程选用方式2。

　　 左 (右) 展厅拉索规格为7×583 (直径218mm) , 是目前国内建筑应用中直径最大的单索, 采用单索可以使锚固节点的构造简化, 张拉施工简单, 由于采用的是半平行预应力钢丝束, 拉索外面由一层厚厚的PE塑料紧紧包裹, 因此拉索整体的抗弯模量很大, 这给拉索在工厂制作完成后的“上盘”, 以及运输到工地后的“解盘”及调直带来了一定的困难。综合考虑, 拉索可采用两根或多根索, 锁具可以做得更小, 不利的是拉索锚固铸钢件的构造会复杂些。

　　 本工程张弦桁架结构采用滑移施工方案, 其中中间展厅由于张弦桁架支座标高不同, 采用带柱滑移施工方案 (图14) , 并采取了临时加固措施, 全部屋盖面积约为6.0万m², 历时三个月完成滑移施工。

　　 本工程铸钢件采用G20Mn5QT号钢 (屈服强度为235MPa) , 与之对接的桁架下弦杆因计算需要采用Q420C号钢。铸钢件具有厚度大、强度低的特点, 为了尽量减小应力集中, 在下弦杆端部内贴了“瓦片”钢板和端板, 使得下弦杆的端厚度不小于铸钢件壁厚的70% (图15) , 由于下弦杆为压杆, 端板也可以起到传递轴压力的作用。

　　 本工程抗连续倒塌分析目标是, 单榀主桁架发生局部失效后, 不应引起主桁架非对称整体性倒塌和相邻榀主桁架的连续倒塌。单榀主桁架的局部失效形式有预应力拉索断裂或锚固失效, 失效主桁架承担的部分荷载将通过纵向支撑桁架传递给相邻主桁架, 本工程考虑了边榀失效和中间榀失效这两种可能性。

　　 抗连续倒塌采用MIDAS Gen程序进行施工模拟计算, 对失效主桁架的拉索构件进行钝化处理。验算构件承载力时, 混凝土强度取标准值, 钢材强度取其强度标准值的1.25倍, 不考虑材料分项系数。荷载组合效应^[4]如下:

　　 式中:ψ_{q i}为第i个可变荷载准永久值系数;Ψ_w为风荷载组合值系数, 取0.2;η_d为竖向荷载动力放大系数, 对失效桁架两端支座附近的相邻2区格内的构件取2.0, 其余构件取1.0;S_d为荷载效应设计值;S_Gk为永久荷载标准值产生的效应;S_{Qi, k}为第i个竖向可变荷载标准值产生的效应;S_wk为风荷载标准值产生的效应。

　　 计算显示, 设定榀桁架局部失效后, 垂直支撑桁架将失效, 主桁架负担的荷载转移到了相邻主桁架 (图16) , 相邻主桁架和垂直支撑桁架的构件内力明显增大, 但主要构件的应力比均小于1.0 (图17) 。屋盖达到抗连续倒塌的性能要求。

　　 (1) 水平地震作用对张弦桁架产生的内力分布特点与竖向荷载不同, 在高烈度地区地震效应可能与重力荷载代表值相当, 地震作用组合下杆件内力分布无规律, 更应引起注意。

　　 (2) 张弦桁架形式1具有自身稳定的特点, 张弦桁架形式2需要采取额外的支撑措施。

　　 (3) 张弦桁架采用工厂预制、现场拼装滑移施工可极大地提高施工速度。

　　 (4) 铸钢件由于壁厚大、强度低, 在与高强钢构件对接时, 应注意采取措施, 减小应力集中并验算局部承载力。