上海世博會主題館結構選型與設計主題一、上海世博會主題館工程概況二、主題館屋面結構方案選型三、主題館結構計算模型與分析四、主題館結構設計工程概況

世博會主題館是展示上海世博會“城市，讓生活更美好”的主題和凸現大型事件的展覽場所。世博會期間將結合世博軸北端的慶典廣場舉辦世博會開、閉幕式等大型活動。世博會后主題館將綜合利用為展覽建筑群體。主題館作為永久保留場館建筑，地上建筑面積為8.0萬平方米，地下建筑面積為4.0萬平方米。工程概況工程概況屋面建筑平面投影為矩形平面，東西向288m，南北向216m，高度為26m。室內按功能要求分為三個區(qū)，即西側展廳中庭、東側展廳。其中，西側展廳是180m×140m無柱大空間。屋面結構南、北方向各懸挑18m。

建筑平面圖建筑平面圖結構方案選型結構挑戰(zhàn)主題館屋蓋結構設計之挑戰(zhàn)西側展廳為180m×140m無柱大空間，建成后為中國最大跨度展館之一。為保證建筑室內凈高要求，西側展廳屋面結構高度限制在12m之內。展廳南、北方向懸挑端跨度18m，如何有效解決懸挑端彎距對內側屋面的不利影響。屋面結構設計要體現屋面之輕盈、簡潔、通透，置身于展廳中將領略到結構之韻律美及先進結構技術造就的時代感。

結構方案選型方案一：單向張弦桁架西側展廳屋面結構選型軸側圖平面圖立面圖結構方案選型方案二：雙向張弦桁架軸側圖平面圖西側展廳屋面結構選型立面圖結構方案選型方案三：巨型折板框架軸側圖平面圖西側展廳屋面結構選型立面圖結構方案選型西側展廳屋面結構選型結構參數方案一方案二方案三結構方案單向張弦桁架雙向張弦桁架巨形折板框架結構高度(m)11.511.58標準豎向荷載跨中變形(mm)-368-426-262支座推力(KN)22541940單位用鋼量(kg/m2)101189104西側展廳屋面結構方案對比分析結果西側展廳屋面結構方案評價從結構效率來看，方案三最優(yōu)，結構高度最小，豎向剛度大；方案一在結構高度能滿足建筑室內要求的前提下，結構撓度符合要求，且單位用鋼量最省；方案二結構效率較低，用鋼量大。從對下部結構影響來看，方案一為自平衡體系，故對下部結構推力較小，柱子及基礎設計難度低，結構費用少；方案三為巨型門式剛架體系，上部結構對基礎的推力是一較難處理的問題。從對建筑要求影響來看，方案三兩側巨型柱各寬9m，建筑空間占用很大；方案一對下部結構要求較低，故柱子截面較小，建筑空間利用率較方案三高。經以上比較，西側展廳屋面結構選擇單向張弦桁架方案。結構方案選選型張弦桁架實實體圖西側展廳沿沿屋面縱向向布置張弦桁架作為屋面結結構的主要要承重體系系。結構跨度144m，結構高度度11.5m，失跨比為為1/12.5。每榀張弦桁桁架布置2道V字型撐桿。。西側展廳屋面結構選選型結構方案選選型張弦桁架構構成圖結合屋面建建筑形態(tài)和和表面機理理，上弦采采用斷面為為正三角形立立體桁架，立體桁架架高3m，寬3m。兩對V字型撐桿上上端連接于于立體桁架架下弦桿，，下端通過過索夾相連連，從而確確保了撐桿桿平面內、、外穩(wěn)定性性。索夾設計為為在張弦桁桁架平面內內可自由轉轉動，保證證了索力有有效傳遞。。張弦桁架下下弦采用兩兩根平行鋼鋼拉索，拉拉索間隔1.5m拉索V字型撐桿立體桁架索夾張弦桁架結構方案選選型東側展廳、、中庭立體桁架實實體圖東側展廳及及中庭結構構選型東側展廳及及中庭屋面面結構沿東東西向采用用多跨連續(xù)立立體桁架作為屋面承承重結構。。立體桁架采采用斷面為為正三角形立立體桁架，縱向三榀榀立體桁架架下弦寬度度均為3m，桁架高度度均為3m。結構方案選選型挑檐設計挑檐設計挑檐采用變截面平面面桁架結構形式，，跨度18m，間隔3m，共192榀。為進一部加加強挑檐結結構的整體體性，并改改善檁條的的受力性能能，檁條中中部通過V型隅撐系統統與平面桁桁架下弦桿桿連接，形形成獨特的的三維檁撐撐體系。挑檐邊桁架平面桁架檁條隅撐挑檐布置圖圖結構方案選選型檁條體系屋面檁條體體系剖面圖圖屋面檁條體體系選型檁條布置結結合建筑屋屋面造型，，一端連接接于立體桁桁架上弦桿桿，另一端端連接于立立體桁架下下弦桿，內內跨檁條采采用H型鋼。邊跨檁條設設計為與挑挑檐相同結結構形式，，即變截面面平面桁架架，通過桁桁架檁條抗抗彎能力平平衡了挑檐檐對邊桁架架扭轉，減減小了邊榀榀菱形桁架架的截面尺尺寸。H型鋼鋼檁檁條條桁架架檁檁條條挑檐檐張弦弦桁桁架架邊桁桁架架結構構方方案案選選型型支撐撐體體系系屋面面支支撐撐體體系系布布置置圖圖屋面面支支撐撐體體系系屋面面沿沿縱縱向向布布置置6道支支撐撐。。屋面面沿沿橫橫向向在在西西側側展展廳廳中中間間及及兩兩側側布布置置4道支支撐撐，，在在東東側側展展廳廳兩兩側側布布置置2道支支撐撐。。屋面面支支撐撐結構構方方案案選選型型屋面面結結構構平面面圖圖結構構方方案案選選型型屋面面結結構構軸側側圖圖結構構方方案案選選型型屋面面結結構構剖面面圖圖屋面面縱縱向向剖剖面面圖圖屋面面橫橫向向剖剖面面圖圖結構構分分析析與與設設計計荷載載取取值值結構構自自重重：：按按實實際際情情況況考考慮慮屋面面恒恒荷荷載載：：西側側展展廳廳屋屋面面、、東東側側展展廳廳屋屋面面及及挑挑檐檐取取0.8KN/m2中庭庭屋屋面面取取1.2KN/m2(考慮慮太太陽陽能能板板荷荷載載））屋面面活活荷荷載載：：整整體體計計算算取取0.3KN/m2；檁檁條條設設計計取取0.5KN/m2屋面面風風荷荷載載：：挑挑檐檐處處取取2.7KN/m2，其其他他屋屋面面取取1.08KN/m2（風風吸吸））溫度度作作用用：：上上海海市市市市區(qū)區(qū)年年極極端端最最高高氣氣溫溫38.8℃℃，年年極極端端最最低低溫溫度度-2.0℃℃，故故取取最最不不利利季季節(jié)節(jié)溫溫差差40.8℃℃作為為結結構構設設計計溫溫度度值值。。地震震作作用用：：設設防防烈烈度度為為7度，，特特征征周周期期0.9s，屋屋蓋蓋單單獨獨計計算算阻阻尼尼比比取取0.02，上上、、下下部部結結構構整整體體計計算算取取0.035荷載載取取值值屋面面結結構構單單獨獨計計算算模模型型上、、下下部部結結構構整整體體計計算算模模型型結構構分分析析模模型型本結結構構采采用用以以下下計計算算分分析析模模型型：：屋屋面面單單獨獨計計算算模模型型，，采采用用彈彈簧簧單單元元模模擬擬下下部部結結構構的的剛剛度度；；屋屋面面與與下下部部結結構構整整體體計計算算模模型型；；同同時時還還對對單單榀榀張張弦弦桁桁架架進進行行張張拉拉分分析析。。計算算模模型型結構構分分析析與與設設計計初始始預預應應力力狀狀態(tài)態(tài)下下內內力力圖圖初始預預應力力狀態(tài)態(tài)下變變形圖圖初始態(tài)態(tài)單根索索力初始預預應力力為1987KN，其應應力為為112MPa上弦桿桿內力力初始預預應力力狀態(tài)態(tài)下為為2643KN單榀張張弦桁桁架靜力分分析結構分分析與與設計計荷載態(tài)態(tài)單根索索力1.2Dead＋1.4Live，內力力為5010KN,其應力力為284Mpa上弦桿桿內力力1.2Dead＋1.4Live，內力力9451KN1.2恒＋1.4活荷載載作用用下內內力圖圖1.2恒＋1.4活荷載載作用用下變變形圖圖結構分分析與與設計計單榀張張弦桁桁架靜力分分析單榀張張弦桁桁架靜靜力分分析結結果表表結構分分析與與設計計荷載工況分析內容分析結果Self拉索內力（KN）1987預應力反拱(mm)103支座滑移(mm)47Self+Dead拉索內力（KN）3840跨中撓度(mm)-236支座滑移(mm)21Self+Dead+Live拉索內力（KN）4404跨中撓度(mm)-339支座滑移(mm)14Self+Dead+Wind拉索內力（KN）2497跨中撓度(mm)20支座滑移(mm)40張弦桁桁架跨跨中最最大撓撓度為為-339mm，小于于跨度度的1/400在風載載作用用下，，張弦弦桁架架最小小索力力為2497KN，拉索索不松松弛張弦桁桁架支支座最最大滑滑移量量為47mm單榀張張弦桁桁架靜力分分析荷載工況分析內容單獨分析整體分析誤差（%）Self+Dead+Live拉索內力（KN）415343524.5跨中撓度(mm)-368-3834支座推力（KN）112250Self+Dead+Live+Tempereture拉索內力（KN）408543285.6跨中撓度(mm)-354-3571.1支座推力（KN）941049.6屋蓋上上部結結構單單獨分分析與與上、、下部部結構構整體體分析析比較較分析結結果評評價單獨分分析與與整體體分析析在拉拉索內內力及及跨中中撓度度方面面的差差異均均較小小，因因此單單獨分分析結結果能能夠滿滿足上上部屋屋蓋設設計要要求。。單獨分分析與與整體體分析析支座座推力力差異異較大大，原原因主主要是是由于于下部部結構構復雜雜，采采用彈彈簧單單元較較難真真實模模擬支支座處處側向向剛度度。因因此，，需要要通過過上、、下部部整體體分析析才能能較準準確地地確定定上部部屋蓋蓋對下下部結結構的的真實實反力力。結構分分析與與設計計屋蓋靜靜力分分析超長結結構溫溫度效效應分分析結構分分析與與設計計樓面溫溫度作作用一層東東側展展廳為為180m××108m大空間間，本本層樓樓面尺尺寸超超出規(guī)規(guī)范建建議的的伸縮縮縫間間距限限制，，屬于于大面面積樓樓蓋結結構，，故采采用有有限元元計算算分析析樓板板溫度度應力力問題題。鋼框架架與混混凝土土樓板板同時時升降降溫40.8℃℃，采用用混凝凝土彈彈性模模量折折減來來模擬擬混凝凝土樓樓板的的徐變變問題題。超長結結構溫溫度效效應分分析結構分分析與與設計計樓面溫溫度作作用應力集集中部部位樓板右右側邊邊三等等分附附近樓板左左側邊邊跨中中處樓板上上下邊邊左角角處應力集集中處處樓板板最大大應力力1.90mpa>1.43mpa應力集集中原原因相同位位置附附近布布置有有柱間間支撐撐，限限制了了板的的自由由收縮縮非應力力集中中處樓樓板應應力平平均為為0.2mpa動力分分析第一階階：縱縱向整整體平平動，，周期期1.2s第二階階：橫橫向整整體平平動，，周期期0.94s第三階階：整整體扭扭轉，，周期期0.73s結構分分析與與設計計分析內容分析結果結構自振周期T1(s)1.2T2(s)0.94T3(s)0.73T3/T10.61最大層間位移角縱向地震作用1/361橫向地震作用1/409最大層間位移與平均層間位移的比值縱向地震作用1.032橫向地震作用1.259動力分分析結結果屋面結結構動動力分分析結結果表表通過屋屋面支支撐和和柱間間支撐撐的合合理布布置，，結構構的扭扭轉/平動周周期比比、最最大扭扭轉位位移比比以及及最大大層間間位移移角均均滿足足相關關規(guī)范范要求求。結構分分析與與設計計設計結結果屋面結結構主主要桿桿件