大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖设计与施工
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风洞试验分析表明: 屋面以负压 为主, 在屋 面的 角部, 极值风压较大, 在结构设计时, 要采取必要的构 造措施, 防止屋盖角部被风荷载掀起而破坏。根据风 洞试验提供的数据进行结构抗风设计, 计算表明风荷 载作用下屋盖结构顶 点位移 2. 1 mm, 最大层间 位移 0. 5mm, u /h = 1 /24000, 满足规范要求。 2. 3 扭壳屋盖抗震设计及结构整体稳定分析
Abstract: The design and construction of long-span reinforced concrete roof o f hyperbo lic parabo lo id comb ined torsion shell roo f w ith para llelogram bottom surface pro ject ion are discussed, tak ing as an exam ple w ith the South Ch ina T echnology Un iversity Gymnasium in the Un iversity C ity of Guangzhou. U sing FEA, the w ind- resistance perform ance, seism ic resistance perform ance and stab ility of the hyperbo lic parabo lo id comb ined shell structure are analyzed and the problem of stress contro l of the she ll is so lved effic iently in the design. New construct ion techno logy, such as spatial accurate m easurem ent location, vacuum aided grouting for prestressed duc,t concrete pouring for large span roof w ith curved surface, are em ployed in the construct ion, and the installation and rem oval of formw ork fo r an inner support system is a lso considered in the design. K eyword s: long-span; parallelogram bo ttom surface; reinforced concrete roo ;f hyperbolic parabo lo id; com b ined torsion sh ell E-m ai:l qik in@ sina. com
摘要: 以广州大学城华南理工 大学体育馆为例, 对平行四边形 底面大跨 度双曲组合 扭壳屋盖 结构体 系的设 计与施 工进行探讨。在屋盖结构体系设计中, 利用有限元 程序对组合扭壳的抗 风性能、抗震性 能、整 体稳定性进 行详细分 析, 并且有效地解决了壳体中的应力控制 问题。在 组合扭壳屋盖施工中 , 针对 屋盖结构 相对复杂的 特点, 利用空间 坐标精确测量定位、预应力孔道真空辅助 灌浆、大跨度曲面屋盖混 凝土浇筑等 施工新技 术, 还 讨论了内架 支撑体系 的支设与拆除方法, 着重阐述具体施工步 骤与措施。工程实践表明: 利用简单 实用的技 术手段, 可以取得 良好的综 合效益。通过对大跨度双曲组合扭壳屋盖结 构的设 计与施 工的详 细讨论, 总结 出成功 经验, 为今后 类似工 程的设 计和施工提供参考。 关键词: 大跨度; 平行四边形底面; 钢筋 混凝土屋盖; 双曲抛物面; 组合扭壳 中图分类号: TU 375. 4 文献标识码: A 文章编号: 1000-131X ( 2009) 11-0001-07
体育馆屋盖结构采用无黏结 预应力钢筋混 凝土 双曲抛物面组合型扭壳结构 ( 以下简称华南理工大学 体育馆双曲扭壳 ), 组合扭 壳屋盖跨度大、结构新 颖、 空间整体受力性能好, 见图 1。
2 双曲组合扭壳屋盖结构设计
2. 1 扭壳屋盖结构分析模型与设计要点 由于屋盖壳体形状特殊, 荷载规范没有提供相关
图 2 屋盖结构有限元模型 F ig. 2 FEM m ode l of comb in ed shell roof
双曲扭壳主要是以受面内的拉力和压力为主, 通 过施加预应力可以使壳面基本以受压为主, 计算分析 表明壳体受力性能很好, 通过增加普通钢筋可以平衡 边缘构件的较大弯矩。
屋盖壳体较扁平, 落地点的水平推力较大。由于 壳体及边梁的内力对支座位移比较敏感, 平衡落地点 的水平推力、控制支座位移成为壳体安全的关键。因 此在大斜柱落地点间设置预 应力拉杆来平衡壳体产 生的水平推力, 使结 构成为自平衡体系, 从而有效地 控制支座的水平位移, 保证屋盖结构安全。
Design and construction of long-span hyperbolic paraboloid combined torsion shell roof
Q i Zh igang1 Zhang X iqian1 Zhao Yuanchou2 ( 1. Chongq ing Un iversity, Chongq ing 400045, Ch ina; 2. Ch ina Construct ion F ifth Eng ineering D iv ision Co. , L td. , Changsha 410000, Ch ina)
都是以矩形作为底面, 本文以华南理工大学体育馆工 程为对象, 着重讨论以平行四边形为底面的双曲混凝 土组合扭壳的设计和施工问题, 以期为今后类似工程
2
土木工程学报
200 9 年
的设计和施工提供参考借鉴。
1 工程概况
广州大学城华南理工大学二 期体育馆位于 广州 市番禺区小谷围岛广州大学城内, 是按照统一规划建 设的广州大学城 八馆一厅 ( 体育馆八座和星海音乐 厅一座 ) 之一, 为 第八届学生运 动会的比赛场 馆及 2010年亚洲运动会备用 场馆, 建筑 规模可容 纳 5000 个观众席, 同时它也是亚洲跨度最大的同类型建筑之 一。体育馆建筑面积 12783. 02m2, 建筑高度 32. 05m, 结构形式为钢筋混凝土框架结构, 基础为预制钢筋混 凝土管桩基础, 采用下沉式设计, 地上及地下各 一层 看台, 中间为比赛用篮球场。
工程属乙类建筑, 场地类别为 类。所在地区抗震 设防烈度为 7度, 地震分组第一组, 设计地震加速度为 0. 1g。钢筋混凝土框架抗震等级为二级。采用考虑扭 转耦联振动影响的振型分解反应谱法, 计算水平地震作 用; 同时考 虑了竖向地震 作用, 竖向地震影 响系数为 0. 05。用特征值法计算了壳体在坚向荷载作用下的稳 定系数。抗震验算表明: 壳面的挠度为 62mm, 扣除刚体 位移, 实际挠度为 0. 6mm , 为短跨跨度的 1 / 61500, 壳 体支承 斜 梁在 竖 向荷 载 作用 下 的最 大竖 向 挠度 为 56mm, U /L = 1714, 满足 钢筋混凝土薄壳结构设计规 程 中所规定的不大于 1/ 1000的要求。 2. 4 壳体中的应力控制措施 2. 4. 1 拉应力的控制
由于建筑平面布置的非对称, 在竖向荷载作用下 引起壳体顶部水平位移, 从而加大了边梁及壳面的挠 度, 构件的内 力差异较大。为 缓解这一不利 影响, 利 用天窗隔板设置连系相邻壳体的结构板, 增大交叉大 梁的侧向刚度, 有效减少了壳体顶部的水平位移以及 壳面的挠度。
第 42卷 第 11期
齐志刚等 大跨度双曲混凝土 组合扭壳屋盖设计与施工
作者简介: 齐志刚, 博士研究生 收稿日期: 2008-05-27
跨度空间结构的不断学习引进和自主创新, 理论和技 术水平得到了很大提高。对于建筑选型而言, 当建筑 美学上的需要超过经济上的考虑时, 选用双曲抛物面 壳体结构是较为合适的, 只要粗略地巡视下某些建筑 物就足以证明双曲抛物面壳 体是能够完美地体现设 计者建筑思 想的最强有力的媒介之一 [ 2] 。如果对模 板的设计和制作有所改进和发展, 就必将会有更大的 经济效益, 该类结构的造价将比任何其他类型的永久 性结构物的 造价要低 [ 3] 。以往双曲组 合扭壳大多数
引言
大跨空间结构是目前发展最快的结构类型之一。 大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发 展状 况是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准 和建 筑科技水平的重要标志之一, 也是一个国家综合国力 的体现 [ 1] 。当跨度增大时, 空间结构就愈能显示出它 们优异的技术经济性能。近 30多年来, 我国通过对大
第 42卷第 11期 2 0 0 9年 11月
土木工程学报
CH INA C IV IL ENG INEER ING JOURNAL
V o .l 42 N ov.
N o. 11 2 00 9
大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖设计与施工
齐志刚 1 张希黔 1 赵源畴 2
( 1. 重庆大学, 重庆 400045; 2. 中 国建筑第五工程局, 湖南长沙 410000)
图 1 华 南理工大学体育馆 F ig. 1 H uanan T echno logy Un iver sity G ym nasium
屋盖由四片扭壳组成, 左右对称, 上下不对称, 分 别支承于周边边缘构件和大斜柱上, 壳体边梁截面尺 寸 500mm 1200mm, 中间两向交叉大斜柱由顶 部的 600mm 1200mm 变至根部 的 600mm 1800mm。壳 体法 向 厚 度 为 130mm, 在 壳 体 周 边 3m 范 围 内 由 130mm 渐变至根部的 200mm 厚。壳体混凝土强度等 级为 C45。屋盖两个正交方向的投影长度为 99. 8m 与 70m, 面积 6568m2, 每块扭壳水平投影均为平 行四边 形, 屋盖中央由倒锥形结构 ( 拔风构件 ) 连接。两向大 斜柱 落地点间 设预应力 混凝土拉 杆, 拉 杆长分别 为 150m 和 110 m, 截面尺寸为 1400mm 1000mm, 配置 4 束 25 s15 2 预 应 力 钢 绞 线, 强 度 标 准 值 f p tk = 1860N /mm 2, 预应力筋孔道直径为 120。基础采用预 应力管桩, 局部采用钻孔灌注桩。扭壳混凝土屋盖的 结构设计使用年限为 50年, 结构安全等级为二级, 耐 火等级为一级, 环境类别为一类。
Abstract: The design and construction of long-span reinforced concrete roof o f hyperbo lic parabo lo id comb ined torsion shell roo f w ith para llelogram bottom surface pro ject ion are discussed, tak ing as an exam ple w ith the South Ch ina T echnology Un iversity Gymnasium in the Un iversity C ity of Guangzhou. U sing FEA, the w ind- resistance perform ance, seism ic resistance perform ance and stab ility of the hyperbo lic parabo lo id comb ined shell structure are analyzed and the problem of stress contro l of the she ll is so lved effic iently in the design. New construct ion techno logy, such as spatial accurate m easurem ent location, vacuum aided grouting for prestressed duc,t concrete pouring for large span roof w ith curved surface, are em ployed in the construct ion, and the installation and rem oval of formw ork fo r an inner support system is a lso considered in the design. K eyword s: long-span; parallelogram bo ttom surface; reinforced concrete roo ;f hyperbolic parabo lo id; com b ined torsion sh ell E-m ai:l qik in@ sina. com
摘要: 以广州大学城华南理工 大学体育馆为例, 对平行四边形 底面大跨 度双曲组合 扭壳屋盖 结构体 系的设 计与施 工进行探讨。在屋盖结构体系设计中, 利用有限元 程序对组合扭壳的抗 风性能、抗震性 能、整 体稳定性进 行详细分 析, 并且有效地解决了壳体中的应力控制 问题。在 组合扭壳屋盖施工中 , 针对 屋盖结构 相对复杂的 特点, 利用空间 坐标精确测量定位、预应力孔道真空辅助 灌浆、大跨度曲面屋盖混 凝土浇筑等 施工新技 术, 还 讨论了内架 支撑体系 的支设与拆除方法, 着重阐述具体施工步 骤与措施。工程实践表明: 利用简单 实用的技 术手段, 可以取得 良好的综 合效益。通过对大跨度双曲组合扭壳屋盖结 构的设 计与施 工的详 细讨论, 总结 出成功 经验, 为今后 类似工 程的设 计和施工提供参考。 关键词: 大跨度; 平行四边形底面; 钢筋 混凝土屋盖; 双曲抛物面; 组合扭壳 中图分类号: TU 375. 4 文献标识码: A 文章编号: 1000-131X ( 2009) 11-0001-07
体育馆屋盖结构采用无黏结 预应力钢筋混 凝土 双曲抛物面组合型扭壳结构 ( 以下简称华南理工大学 体育馆双曲扭壳 ), 组合扭 壳屋盖跨度大、结构新 颖、 空间整体受力性能好, 见图 1。
2 双曲组合扭壳屋盖结构设计
2. 1 扭壳屋盖结构分析模型与设计要点 由于屋盖壳体形状特殊, 荷载规范没有提供相关
图 2 屋盖结构有限元模型 F ig. 2 FEM m ode l of comb in ed shell roof
双曲扭壳主要是以受面内的拉力和压力为主, 通 过施加预应力可以使壳面基本以受压为主, 计算分析 表明壳体受力性能很好, 通过增加普通钢筋可以平衡 边缘构件的较大弯矩。
屋盖壳体较扁平, 落地点的水平推力较大。由于 壳体及边梁的内力对支座位移比较敏感, 平衡落地点 的水平推力、控制支座位移成为壳体安全的关键。因 此在大斜柱落地点间设置预 应力拉杆来平衡壳体产 生的水平推力, 使结 构成为自平衡体系, 从而有效地 控制支座的水平位移, 保证屋盖结构安全。
Design and construction of long-span hyperbolic paraboloid combined torsion shell roof
Q i Zh igang1 Zhang X iqian1 Zhao Yuanchou2 ( 1. Chongq ing Un iversity, Chongq ing 400045, Ch ina; 2. Ch ina Construct ion F ifth Eng ineering D iv ision Co. , L td. , Changsha 410000, Ch ina)
都是以矩形作为底面, 本文以华南理工大学体育馆工 程为对象, 着重讨论以平行四边形为底面的双曲混凝 土组合扭壳的设计和施工问题, 以期为今后类似工程
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土木工程学报
200 9 年
的设计和施工提供参考借鉴。
1 工程概况
广州大学城华南理工大学二 期体育馆位于 广州 市番禺区小谷围岛广州大学城内, 是按照统一规划建 设的广州大学城 八馆一厅 ( 体育馆八座和星海音乐 厅一座 ) 之一, 为 第八届学生运 动会的比赛场 馆及 2010年亚洲运动会备用 场馆, 建筑 规模可容 纳 5000 个观众席, 同时它也是亚洲跨度最大的同类型建筑之 一。体育馆建筑面积 12783. 02m2, 建筑高度 32. 05m, 结构形式为钢筋混凝土框架结构, 基础为预制钢筋混 凝土管桩基础, 采用下沉式设计, 地上及地下各 一层 看台, 中间为比赛用篮球场。
工程属乙类建筑, 场地类别为 类。所在地区抗震 设防烈度为 7度, 地震分组第一组, 设计地震加速度为 0. 1g。钢筋混凝土框架抗震等级为二级。采用考虑扭 转耦联振动影响的振型分解反应谱法, 计算水平地震作 用; 同时考 虑了竖向地震 作用, 竖向地震影 响系数为 0. 05。用特征值法计算了壳体在坚向荷载作用下的稳 定系数。抗震验算表明: 壳面的挠度为 62mm, 扣除刚体 位移, 实际挠度为 0. 6mm , 为短跨跨度的 1 / 61500, 壳 体支承 斜 梁在 竖 向荷 载 作用 下 的最 大竖 向 挠度 为 56mm, U /L = 1714, 满足 钢筋混凝土薄壳结构设计规 程 中所规定的不大于 1/ 1000的要求。 2. 4 壳体中的应力控制措施 2. 4. 1 拉应力的控制
由于建筑平面布置的非对称, 在竖向荷载作用下 引起壳体顶部水平位移, 从而加大了边梁及壳面的挠 度, 构件的内 力差异较大。为 缓解这一不利 影响, 利 用天窗隔板设置连系相邻壳体的结构板, 增大交叉大 梁的侧向刚度, 有效减少了壳体顶部的水平位移以及 壳面的挠度。
第 42卷 第 11期
齐志刚等 大跨度双曲混凝土 组合扭壳屋盖设计与施工
作者简介: 齐志刚, 博士研究生 收稿日期: 2008-05-27
跨度空间结构的不断学习引进和自主创新, 理论和技 术水平得到了很大提高。对于建筑选型而言, 当建筑 美学上的需要超过经济上的考虑时, 选用双曲抛物面 壳体结构是较为合适的, 只要粗略地巡视下某些建筑 物就足以证明双曲抛物面壳 体是能够完美地体现设 计者建筑思 想的最强有力的媒介之一 [ 2] 。如果对模 板的设计和制作有所改进和发展, 就必将会有更大的 经济效益, 该类结构的造价将比任何其他类型的永久 性结构物的 造价要低 [ 3] 。以往双曲组 合扭壳大多数
引言
大跨空间结构是目前发展最快的结构类型之一。 大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发 展状 况是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准 和建 筑科技水平的重要标志之一, 也是一个国家综合国力 的体现 [ 1] 。当跨度增大时, 空间结构就愈能显示出它 们优异的技术经济性能。近 30多年来, 我国通过对大
第 42卷第 11期 2 0 0 9年 11月
土木工程学报
CH INA C IV IL ENG INEER ING JOURNAL
V o .l 42 N ov.
N o. 11 2 00 9
大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖设计与施工
齐志刚 1 张希黔 1 赵源畴 2
( 1. 重庆大学, 重庆 400045; 2. 中 国建筑第五工程局, 湖南长沙 410000)
图 1 华 南理工大学体育馆 F ig. 1 H uanan T echno logy Un iver sity G ym nasium
屋盖由四片扭壳组成, 左右对称, 上下不对称, 分 别支承于周边边缘构件和大斜柱上, 壳体边梁截面尺 寸 500mm 1200mm, 中间两向交叉大斜柱由顶 部的 600mm 1200mm 变至根部 的 600mm 1800mm。壳 体法 向 厚 度 为 130mm, 在 壳 体 周 边 3m 范 围 内 由 130mm 渐变至根部的 200mm 厚。壳体混凝土强度等 级为 C45。屋盖两个正交方向的投影长度为 99. 8m 与 70m, 面积 6568m2, 每块扭壳水平投影均为平 行四边 形, 屋盖中央由倒锥形结构 ( 拔风构件 ) 连接。两向大 斜柱 落地点间 设预应力 混凝土拉 杆, 拉 杆长分别 为 150m 和 110 m, 截面尺寸为 1400mm 1000mm, 配置 4 束 25 s15 2 预 应 力 钢 绞 线, 强 度 标 准 值 f p tk = 1860N /mm 2, 预应力筋孔道直径为 120。基础采用预 应力管桩, 局部采用钻孔灌注桩。扭壳混凝土屋盖的 结构设计使用年限为 50年, 结构安全等级为二级, 耐 火等级为一级, 环境类别为一类。
