某大學(xué)體育館弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的與設(shè)計

某大學(xué)體育館弦支穹頂屋蓋的分析與設(shè)計1主要內(nèi)容1.工程概況2.結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置3.結(jié)構(gòu)靜力與動力計算分析4.靜力彈塑性極限承載力計算分析5.節(jié)點設(shè)計6.施工張拉過程的仿真計算7.結(jié)語21.工程概況鉆石形建筑造型；正六邊形柱網(wǎng)外接圓直徑87.757m，最大挑檐長度6m，屋蓋總高度11.55m；矢跨比1/8.6；屋面坡度12度，局部凸屋面15度；屋蓋中央設(shè)置正六邊形的采光玻璃天窗，外接圓直徑24m。

柱網(wǎng)布置圖32.結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置2.1結(jié)構(gòu)體系——弦支穹頂網(wǎng)殼與索穹頂?shù)木C合體，屬于雜交結(jié)構(gòu)；極大地降低支座的水平推力；調(diào)整了網(wǎng)殼的內(nèi)力分布狀況，構(gòu)件受力趨于均勻，提高材料使用效率由于存在剛性的網(wǎng)殼部分，因此與完全柔性的索穹頂相比，施工的難度與復(fù)雜性大大降低與普通的空間桁架結(jié)構(gòu)相比，弦支穹頂?shù)臉?gòu)件和節(jié)點數(shù)量少，加工制作的工作量大大減少整體結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖結(jié)構(gòu)正立面圖42.2結(jié)構(gòu)布置++=單層網(wǎng)殼邊緣構(gòu)件(環(huán)形桁架)支承索系與桅桿整體結(jié)構(gòu)53.結(jié)構(gòu)靜力與動力計算分析3.1預(yù)應(yīng)力初始態(tài)設(shè)計已有研究和工程實例表明，弦支穹頂外圈的索對結(jié)構(gòu)的影響最大，由外圈到內(nèi)圈索的預(yù)拉力應(yīng)逐級減小。使用同濟(jì)大學(xué)的3D3S軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性找形分析，在找形分析中考慮結(jié)構(gòu)自重的作用。索的預(yù)應(yīng)力取值考慮以下幾個因素：結(jié)構(gòu)整體剛度適宜（剛度與周期）；在恒荷載和預(yù)應(yīng)力作用下(荷載組合C1)，脊梁的主軸彎矩圖呈鋸齒形，正負(fù)峰值彎矩的絕對值相接近；在控制荷載組合作用下主要的索不退出工作；支座水平推力較??；在滿足上述條件的情況下，預(yù)應(yīng)力值向小的方向取，以降低施工時的張拉難度。通過多次試算，下斜索由外到內(nèi)初始預(yù)張力分別確定為：1800kN，1000kN，500kN，250kN，100kN。環(huán)向梁的扭矩及其正截面彎矩共同造成了脊梁正截面彎矩的突變。主脊梁軸力圖(kN)主脊梁彎矩圖(kN.m)6荷載組合C1脊梁軸力圖（kN）

荷載組合C1脊梁彎矩圖（kN-m）

在1.0永久荷載+預(yù)應(yīng)力的荷載組合作用下，脊梁軸力和彎矩的分布分別如上圖所示。73.2結(jié)構(gòu)動力特性第1振型為左右兩部分上下反對稱振動，周期為：T1＝1.35s第2振型為前后兩部分上下反對稱振動，周期為：T1＝1.32s第3、4、5、6、7振型均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)反對稱上下振動，并伴有外圍懸挑桁架的水平向擺動，周期分別為：T3＝1.22s，T4＝1.18s，T5＝1.18s，T6＝1.12s，T7＝1.10s第8振型表現(xiàn)為整體環(huán)向振動，周期為T8＝0.77s8第9、10、11振型表現(xiàn)為整體的介于對稱與反對稱之間的上下振動，周期為T9＝0.76s，T10＝0.66，T11＝0.63第12、13、14振型表現(xiàn)為脊梁帶動六塊屋面上下反對稱振動，周期為T12＝0.61s，T13＝0.59，T14＝0.50第15振型表現(xiàn)為整體環(huán)向振動，周期為T15＝0.46s第16、18、19、20振型表現(xiàn)為六塊屋面上下反對稱振動，周期為T16＝0.43s，T18＝38s，T19＝38s，T20＝38s9第17振型表現(xiàn)為六塊屋面上下整體振動，周期為T17＝0.41s振型及其分布與單層網(wǎng)殼類似；相同結(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)殼的周期增大約5%，這是因為索的纖柔和撐桿布置數(shù)量較少，其預(yù)張力對結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻(xiàn)并不大，索的主要作用在于改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。從以上結(jié)果可以看到：103.3荷載態(tài)的彈性設(shè)計計算考慮了14個大類的荷載組合

。當(dāng)恒荷載起有利作用時，其分項系數(shù)取為1.0；溫度的分項系數(shù)1.0，組合系數(shù)0.7。各個組合中均已包括了1.0倍的預(yù)應(yīng)力作用：(1)1.0結(jié)構(gòu)自重（即預(yù)應(yīng)力初始態(tài)）(2)1.2恒+1.4雪(3)1.2恒+1.4風(fēng)(4)1.2恒+1.0溫(5)1.2恒+1.4雪+1.4×0.6風(fēng)(6)1.2恒+1.4風(fēng)+1.4×0.7雪(7)1.2恒+1.4雪+0.7溫（升溫時取活）(8)1.2恒+1.0溫+1.4×0.7雪（升溫時取活）(9)1.2恒+1.4風(fēng)+0.7溫(10)1.2恒+1.0溫+1.4×0.6風(fēng)(11)1.2恒+1.4雪+1.4×0.6風(fēng)+0.7降溫(12)1.2恒+1.4風(fēng)+1.4×0.7雪+0.7降溫(13)1.2恒+1.0降溫+1.4×0.6風(fēng)+1.4×0.7雪(14)1.2（恒+0.5雪）+1.3水平地震114.靜力彈塑性極限承力計算分析彈塑性模型：①(Hinge72)在脊梁每個節(jié)間的兩端預(yù)設(shè)生成塑性P-M3鉸，共72個鉸②(Hinge600)在脊梁、環(huán)梁及肋梁每個節(jié)間的兩端預(yù)設(shè)生成塑性P-M3鉸，共600個鉸彈塑性模型一彈塑性模型二比較分析對象：①弦支穹頂②對應(yīng)的單層網(wǎng)殼（即去掉所有的拉索與撐桿）12組合1（全跨雪）荷載—位移曲線組合1（半跨雪）荷載—位移曲線以結(jié)構(gòu)中心點的豎向位移作為監(jiān)控位移，將基底豎向反力值除以荷載組合值，即為結(jié)構(gòu)彈塑性極限承載安全系數(shù)。兩個彈塑分析模型所能承受的極限荷載幾乎完全一致。雖然在半跨雪載組合的作用下，結(jié)構(gòu)的次要桿件將先于主要桿件出現(xiàn)塑性鉸，但對結(jié)構(gòu)的承載力幾乎沒有影響，只有到了主要桿件出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)的整體承載力才會發(fā)生突變，有明顯的下降。故此采用僅在主要桿件（脊梁）設(shè)置塑性鉸進(jìn)行結(jié)構(gòu)Push-Over分析是完全可行的；在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)并不會隨著第一處塑性鉸的出現(xiàn)而完全破壞，承載力降低一定程度后隨著內(nèi)力的重分布，結(jié)構(gòu)的后繼承載力會繼續(xù)增高，即結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的安全儲備

13弦支穹頂比單層網(wǎng)殼的彈塑性極限承載力有較為明顯的提高。單層網(wǎng)殼和弦支穹頂?shù)膹椝苄詷O限承載安全系數(shù)列于下表：彈塑性安全系數(shù)彈塑性極限承載安全系數(shù)單層網(wǎng)殼弦支穹頂弦支穹頂承載力提高1.2永久+1.4滿跨雪+1.0預(yù)2.062.3313.1%1.2永久+1.4半跨雪+1.0預(yù)2.222.8126.6%146.施工張拉過程的仿真計算張拉方法：環(huán)索按應(yīng)力釋放后的長度下料標(biāo)定，張拉前將環(huán)索，斜索及撐桿連接安裝就位，斜索在脊梁的一端為張拉端，分批對稱張拉斜索直到設(shè)計預(yù)應(yīng)力；三輪張拉：第一輪張拉設(shè)計預(yù)應(yīng)力的2/3左右，第二輪張拉到設(shè)計預(yù)應(yīng)力，第三輪根據(jù)現(xiàn)場索力實測值對各索進(jìn)行微調(diào)；張拉順序：從外圈到內(nèi)圈分兩輪對稱張拉到設(shè)計預(yù)應(yīng)力，之后根據(jù)現(xiàn)場測量進(jìn)行第三輪的微調(diào)。第一輪張拉斜索到設(shè)計預(yù)拉力的2/3左右。第二輪最后一圈(最內(nèi)圈)索張拉至設(shè)計預(yù)拉時，其它各索恰好都達(dá)到設(shè)計預(yù)拉力；各輪張拉時張拉控制力的確定方法：在張拉過程中，每一圈索的張拉會導(dǎo)致其它圈索力的變化，為了保證在張拉最后一圈斜索后，其它各圈索的預(yù)拉力均恰好達(dá)到設(shè)計的預(yù)拉值，各斜索的張拉控制力由逆向施工（即先從結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力初始態(tài)“放松——拆”）確定。監(jiān)控：實際張拉施工過程中，同時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的幾何形狀與索力，即采取雙控措施。156.1結(jié)構(gòu)模型（脊梁）半榀

脊梁、撐桿及拉索的單元與節(jié)點編號

166.2張拉過程張拉過程與張拉控制力F結(jié)構(gòu)變形過程D第1步第2步第3步第4步17F(續(xù)1)D(續(xù)1)第5步第6步第7步第8步18F(續(xù)2)D(續(xù)2)第9步第10步第11步196.戚3疲構(gòu)件柴強(qiáng)度鼻應(yīng)力虹比與循穩(wěn)定授應(yīng)力藝比變襲化過駝程澡（施喬工驗剝算）單元懶1最田大強(qiáng)殼度應(yīng)慈力比聯(lián)0.宿38業(yè)6，酸穩(wěn)定胖應(yīng)比爐變化禽過程渠與此浩相似盡，最孕大穩(wěn)鞭定應(yīng)企力比釘0.渣39胞0單元妄2最淡大強(qiáng)篩度應(yīng)揉力比勢0.黨33母0，它穩(wěn)定剝應(yīng)比勵變化獄過程議與此設(shè)相似繩，最乘大穩(wěn)襪定應(yīng)繁力比姨0.丸33眼6單元腳3最朽大強(qiáng)藏度應(yīng)剩力比氧0.昆27膠4，猛穩(wěn)定膝應(yīng)比君變化超過程恭與此朝相似圍，最吼大穩(wěn)箱定應(yīng)拔力比櫻0.脊28城2單元比4最喂大強(qiáng)荒度應(yīng)貓力比終0.以20搬9，圈穩(wěn)定橡應(yīng)比派變化嶄過程袖與此采相似飽，最忍大穩(wěn)訊定應(yīng)玻力比因0.湖21疏7單元的5最否大強(qiáng)東度應(yīng)冰力比涼0.紅12驚4，境穩(wěn)定擱應(yīng)比啊變化手過程父與此氣相似但，最暖大穩(wěn)辰定應(yīng)戀力比承0.尚13綠6撐桿噴單元松2-期7最置大強(qiáng)煙度應(yīng)窗力比株0.跪24絕9，糖穩(wěn)定戶應(yīng)比酸變化薦過程矛與此遼相似蒼，最啊大穩(wěn)乒定應(yīng)夾力比金0.哄26存520撐桿否單元渴3-繳8最姿大強(qiáng)薪度應(yīng)址力比欲0.炭36需3，覽穩(wěn)定擊應(yīng)比版變化晚過程榜與此簡相似醉，最族大穩(wěn)袍定應(yīng)繪力比成0.店45幻玉4撐桿彎單元販4-垂9最五大強(qiáng)之度應(yīng)索力比匙0.稻24擦9，礙穩(wěn)定易應(yīng)比廟變化絹過程鋪與此浴相似裳，最績大穩(wěn)僅定應(yīng)沙力比敗0.葉30零7撐桿睜單元執(zhí)5-匠10重最大糠強(qiáng)度序應(yīng)力枝比0吵.1理27氏，穩(wěn)諷定應(yīng)負(fù)比變辣化過語程與霞此相箭似，綿最大和穩(wěn)定山應(yīng)力利比0塑.1北63支座泡水平盲反力耳（劍單位虎：k盼N）施工步H-Reaction1-33.1985520.64785310.41511411.36953510.8089610.68583727.16057830.68972931.255131031.006871130.95559設(shè)計綿初始免預(yù)應(yīng)橫態(tài)H怕r張=廉30請.8叢96約kN支座承水平要反力旗變化閱過程朽（單名位：瓜kN丹）21計算俊結(jié)果眼表明尋，結(jié)蜂構(gòu)經(jīng)漠過張廈拉能纏達(dá)到殘預(yù)期勻的設(shè)己計結(jié)案構(gòu)預(yù)怠應(yīng)力朋分布椅與初逐始幾適何形例態(tài)，槽且精鏈度較乎高。種該預(yù)段應(yīng)力燭結(jié)構(gòu)創(chuàng)可以句通過誘正確橡的施爐工張嶺拉得瀉以實嬸現(xiàn)；部分形構(gòu)件彼在張慢拉過件程中鏈的最摘大強(qiáng)貞度與碧穩(wěn)定戚應(yīng)力灘比超稼過了糕張拉左結(jié)束暈后的予相應(yīng)耐數(shù)值祥指標(biāo)燈，但斃其數(shù)銜值總銅體程爸度較抗小，車且遠(yuǎn)始遠(yuǎn)小株于最漏不利告荷載憤組合天下的寒應(yīng)力短數(shù)值缺指標(biāo)渾。結(jié)晌構(gòu)在者張拉滋過程國中滿顧足強(qiáng)叢度與慕穩(wěn)定召性要叫求；最外友圈索仆的設(shè)油計預(yù)脹拉力停最大丟，張倆拉最長外圈標(biāo)斜索若時，廟結(jié)構(gòu)歷的變史形與間構(gòu)件挺內(nèi)力總的變脅化也禍最大痛；計算辰表明勾，由員于上裁部單創(chuàng)層網(wǎng)暑殼的輔剛性公已經(jīng)戲較大緞，每反一圈祝索的輝張拉改雖然枯會導(dǎo)篩致其跨它已脆經(jīng)張晚拉索銳的拉聾力變待化，鍵但變病化幅下度很拆小。仿真付計算游結(jié)論邀:228.笨結(jié)楊語預(yù)應(yīng)保力拉郵索有旗效地皺調(diào)整維了上奪部剛違性網(wǎng)浸殼結(jié)腔構(gòu)的郊內(nèi)力叢分布且，削鋤減了攀內(nèi)力傅峰值罷，提合高了嘆材料業(yè)的利陶用率響，總段體經(jīng)知濟(jì)效競益良宰好。由于稻建筑拜造型康的限俯制，泳只有隆六道桿脊梁址直接咬通過擔(dān)撐桿免與索的相互扣作用拋，而好每兩袋道脊部梁之峰間的4根徑店向梁睛則支朱撐在禮內(nèi)環(huán)畏與外廢環(huán)上叔，與箏聯(lián)方捐網(wǎng)格李形式諒的弦鵝支穹弓頂相勉比，拒拉索做對整名體結(jié)凍構(gòu)的旅影響唉不是赴很強(qiáng)斤。拉索陵的預(yù)秧應(yīng)力虜值是繪該類臥結(jié)構(gòu)鉗最重勻要的卵參數(shù)數(shù)。其飯中，勞一方處面是忠各圈向索預(yù)面拉力寸值的渾比率咐問題呈，另襖一方牧面是沒值的拘絕對惱大小癥問題甩。綜白合計殼算結(jié)朱果表索明，拉該工殘程中集考慮挖的預(yù)醒拉力熄取值遷基本發(fā)原則馬是