蘭州水舞秀場館鋼結(jié)構(gòu)主體設(shè)計研究,結(jié)構(gòu)工程論文摘要：蘭州水舞秀場館分為舞臺區(qū)和看臺區(qū),構(gòu)造形式分別為網(wǎng)架與桁架的組合構(gòu)造及大跨網(wǎng)架構(gòu)造,具有大跨度、主體構(gòu)造開大洞、環(huán)境溫差大、屋頂主構(gòu)造變形要求嚴格及屋頂主構(gòu)造與幕墻連接復(fù)雜等設(shè)計難點。具體介紹了鋼構(gòu)造的節(jié)點設(shè)計、鋼構(gòu)造與幕墻的連接設(shè)計、主體鋼構(gòu)造的構(gòu)造體系及特點。采用MIDAS軟件對構(gòu)造進行了溫度分析、基本靜力和動力特性分析。分析結(jié)果表示清楚,該場館構(gòu)造布置合理,構(gòu)造整體剛度較大且分布均勻。本文關(guān)鍵詞語：蘭州水舞秀場館;網(wǎng)架與桁架的組合構(gòu)造;不規(guī)則開洞;溫度作用;節(jié)點設(shè)計;Abstract：LanzhouWaterDanceShowVenueisdividedintostageareaandaudiencearea.Thestructuralformsincludethelarge-spangridandacompositestructureofgridandtruss.Theprojecthasmanydesigndifficulties,suchaslargespan,largeopeninginthemainstructure,largeenvironmentaltemperaturedifference,strictdeformationrequirementofroofmainstructureandcomplexconnectionbetweenroofmainstructureandcurtainwall.Thejointdesignofsteelstructure,theconnectiondesignofsteelstructureandcurtainwall,andthestructuresystemandcharacteristicsofmainsteelstructurewereintroduced.SoftwareMIDASwasusedfortemperatureanalysis,basicstaticanddynamiccharacteristicsanalysisofthestructure.Theanalysisresultsshowthatthevenuestructurelayoutisreasonableandtheoverallstructurestiffnessisstrongandevenlydistributed.Keyword：LanzhouWaterDanceShowVenue;compositestructureofgridandtruss;irregularopening;temperatureeffect;jointdesign;1、工程大概情況蘭州水舞秀場館位于蘭州市西固區(qū)河口鎮(zhèn),地處黃河和莊浪河交匯處的三角地帶,項目所處位置南有蘭州國際港務(wù)區(qū),并且有京藏高速穿過,是西部大通道陸上絲綢之路的起點。該場館是蘭州市發(fā)展一帶路的重點工程,建成之后將用于民族特色文化演出,是當前國際同類場館中最大的水舞秀場館之一,場館整體效果圖見圖1。圖1水舞秀場館效果圖主場館鋼構(gòu)造屋蓋建筑面積約為1.2萬m2,呈半球形,分為舞臺區(qū)和看臺區(qū)兩個獨立部分。舞臺區(qū)主體構(gòu)造跨度為107.8m,寬度為63.6m,高度為29.4m,網(wǎng)架高度為3.8m,舞臺區(qū)主體構(gòu)造包含了一長軸為30m、短軸為20.1m的橢圓洞口?？磁_區(qū)主體構(gòu)造跨度為95.8m,寬度為48.4m,高度約為28.3m,網(wǎng)架高度為3.5m。場館鋼構(gòu)造俯視圖及中線位置剖面圖見圖2,3。圖2蘭州水舞秀場館鋼構(gòu)造俯視圖/m圖3蘭州水舞秀場館中線位置剖面圖/m主場館演出方案由法國ECA2公司設(shè)計。ECA2公司通過大量的光學(xué)、聲學(xué)模擬分析,要求場館的燈光、音響、水瀑等設(shè)備安裝在固定位置,且為獲得完好的回聲面,幕墻內(nèi)壁需為光滑雙曲面,變形不宜過大,又因幕墻固定在主體構(gòu)造上,則在構(gòu)造使用經(jīng)過中需嚴格控制主體構(gòu)造變形。綜上,主體構(gòu)造網(wǎng)架構(gòu)件的布置在避讓各式各樣的演出設(shè)備并為幕墻安裝留有適宜的空間的同時還要嚴格控制主體構(gòu)造的位移變形,以保證最佳演出效果。2、構(gòu)造體系及特點2.1、屋蓋鋼構(gòu)造體系蘭州水舞秀場館鋼構(gòu)造屬于大跨度復(fù)雜空間構(gòu)造,由舞臺區(qū)和看臺區(qū)兩大部分組成。舞臺區(qū)構(gòu)造由雙層半球面大開洞網(wǎng)架及豎向支承體系構(gòu)成,是網(wǎng)架構(gòu)造和空間桁架構(gòu)造的組合構(gòu)造。雙層網(wǎng)架由曲面形式的圓鋼管組成的三角錐和四角錐互相連接而成。為知足場館設(shè)備的安裝及維修要求,舞臺區(qū)構(gòu)造內(nèi)部需鋪設(shè)馬道,馬道由桁架構(gòu)成,如此圖4所示?？磁_區(qū)為曲面形式的正交四角錐網(wǎng)架構(gòu)造,平面投影為半橢圓,其構(gòu)造體系與舞臺區(qū)大體一樣,但看臺區(qū)網(wǎng)架無開洞,為規(guī)則的空間曲面網(wǎng)架構(gòu)造。2.2、構(gòu)造豎向支承體系蘭州水舞秀場館的豎向支承體系分為兩種,分別為桁架柱支承和網(wǎng)架支點落地支承,如此圖5所示。舞臺區(qū)桁架柱支承為13根直徑為530mm和325mm的豎向鋼管組成的鋼桁架格構(gòu)柱,柱高4.9～9.7m;看臺區(qū)桁架柱支承為三個直徑為325mm的豎向鋼管組成的格構(gòu)柱。格構(gòu)柱和混凝土基礎(chǔ)采用萬向支座連接,此種支座能夠抵抗較大的柱底豎向荷載和水平荷載,并能釋放柱底彎矩。格構(gòu)柱柱腳連接大樣見圖6。網(wǎng)架支點落地支承采用球形節(jié)點與萬向支座協(xié)同工作,使鋼構(gòu)造網(wǎng)架與混凝土基礎(chǔ)直接相連,能夠保證柱底部彎矩的釋放和水平及豎向荷載的傳遞。2.3、幕墻安裝由于外幕墻突出主構(gòu)造輪廓,形似羽毛,且角度較小,故屋面頂部主體鋼構(gòu)造采用提早增加圓形支托(圓盤)的方式與幕墻龍骨進行連接,如此圖7所示。該連接形式在為幕墻施工提供足夠施工操作面、有效減小焊接熱應(yīng)力集中對主體構(gòu)造造成的不利影響的同時,即保證了構(gòu)造明確的傳力途徑,又避免了對鋼構(gòu)造桿件的局部毀壞和整體穩(wěn)定系數(shù)的降低。圖4馬道模型示意圖(深色線段為馬道桿件)圖5構(gòu)造豎向支承體系(深色圓點為落地支點)圖6格構(gòu)柱柱腳連接大樣圖7幕墻連接鋼構(gòu)造節(jié)點大樣圖根據(jù)幕墻設(shè)計師的要求,內(nèi)殼吊頂幕墻龍骨需同主體鋼構(gòu)造桿件等距離固定,結(jié)合本工程實際情況,幕墻龍骨采用鋼制抱箍件通過螺栓與主構(gòu)造桿件連接,如此圖8所示。這種機械連接方式可允許抱箍件有微小轉(zhuǎn)動,螺栓連接可充分釋放彎矩,抱箍件間距較小,構(gòu)造設(shè)計時將點荷載等效為線荷載輸入在桿件上,使理論計算與實際受力相吻合。圖8舞臺區(qū)吊頂穿孔鋁單板幕墻豎剖節(jié)點圖2.4、構(gòu)造特點以及設(shè)計難點構(gòu)造特點以及設(shè)計難點為:1)為知足場館設(shè)備的安裝及維修要求,舞臺區(qū)構(gòu)造內(nèi)部要留有可供人行走的馬道,但網(wǎng)架構(gòu)造無法知足空間要求,故在網(wǎng)架構(gòu)造內(nèi)部增加桁架。網(wǎng)架與桁架組合構(gòu)造使地震作用計算和內(nèi)力傳遞愈加復(fù)雜;2)舞臺區(qū)大開洞的構(gòu)造形式對構(gòu)造剛度和構(gòu)造抗震性能具有不利影響;3)根據(jù)方案效果的要求,部分區(qū)域網(wǎng)架厚度需要增加,因而,網(wǎng)架從雙層增加至三層,如此圖9所示,這使得球節(jié)點連接的桿件數(shù)量增加了一倍,給構(gòu)造節(jié)點的設(shè)計、加工和安裝均帶來了很大困難和挑戰(zhàn);4)構(gòu)造雙向跨度均較大,且西北地區(qū)冬季、夏季溫差大,因而溫度作用對構(gòu)造設(shè)計的影響較大。圖9三層網(wǎng)架位置示意圖(深色線段為三層網(wǎng)架)3、構(gòu)造分析及設(shè)計3.1、分析模型采用MIDAS軟件進行鋼構(gòu)造設(shè)計計算,華而不實網(wǎng)架構(gòu)造采用一般的二力桿單元模擬,連接有幕墻環(huán)形抱箍件的下弦桿采用一般梁單元模擬。馬道體系采用桁架單元模擬。格構(gòu)柱的柱腳、網(wǎng)架周邊的落地支點均采用固定鉸支座。3.2、荷載作用與設(shè)計準則荷載工況主要包括恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用和溫度作用,各項荷載的取值如下:恒荷載:自重由程序自動計算;其他恒荷載根據(jù)實際情況取值?；詈奢d:上弦0.5kN/m2,下弦0.5kN/m2;桁架通廊2kN/m2。風荷載:在X,Y向均輸入0.3kN/m2,研究風荷載作用下構(gòu)造的受力情況。地震作用:根據(jù)(建筑抗震設(shè)計規(guī)范〕(GB500112018)[1](2021年版),擬建場地地震基本烈度8度(0.20g),建筑場地類別Ⅱ類,場地特征周期取0.45s。溫度作用:本項目位于西北地區(qū),主體鋼構(gòu)造在秋天安裝,冬季合攏。溫度分析時考慮了降溫20℃、升溫45℃這兩種極端情況。3.3、設(shè)計準則工程構(gòu)造的安全等級為二級,構(gòu)造重要性系數(shù)為1.0。綜合考慮構(gòu)造的安全性與經(jīng)濟性,確定構(gòu)件應(yīng)力比的控制原則為:關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.85,一般構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.90。關(guān)鍵構(gòu)件即豎向支承構(gòu)件、桁架桿件、大開洞周邊桿件和落地桿件。4、構(gòu)造靜動力性能4.1、構(gòu)造靜力性能舞臺區(qū)一側(cè)構(gòu)造大開洞,對整體構(gòu)造的剛度影響較大,通過構(gòu)造位移云圖來判定構(gòu)造的合理性,恒荷載作用下構(gòu)造豎向位移云圖見圖10。由圖10能夠看出,看臺區(qū)和舞臺區(qū)左右兩側(cè)豎向位移云圖呈對稱分布。豎向位移最大值位置在構(gòu)造的頂端,華而不實舞臺區(qū)最大豎向位移為-79.7mm,是舞臺區(qū)跨度的1/798;看臺區(qū)最大豎向位移為-164.6mm,是看臺區(qū)跨度的1/294,因而構(gòu)造位移在知足演出需求的同時,能夠知足(網(wǎng)架構(gòu)造設(shè)計與施工規(guī)程〕(JGJ791)[2]中規(guī)定的不超過限值(跨度的1/250)的要求。根據(jù)位移云圖,并考慮拱形構(gòu)造剛度均勻、頂點豎向位移大、支座水平推力大等受力特征,可斷定構(gòu)造設(shè)計合理,符合一般拱形網(wǎng)架的特征。圖10恒荷載下構(gòu)造豎向位移云圖/mm4.2、構(gòu)造動力性能構(gòu)造的動力性能是進行地震反響分析的基礎(chǔ),由于本項目舞臺區(qū)構(gòu)造形式復(fù)雜,舞臺區(qū)中部有大開洞形式,且舞臺區(qū)是網(wǎng)架與桁架的組合構(gòu)造,對構(gòu)造整體剛度和地震性能影響較大,而看臺區(qū)部分構(gòu)造形式相對簡單,剛度分配較均勻,故本文只研究舞臺區(qū)的動力分析情況。構(gòu)造共選取30階振型進行分析,第1階振型為舞臺區(qū)沿Y向的水平運動,其自振周期為0.73s(圖11(a))。第2階振型為沿X向的水平運動,其自振周期為0.49s(圖11(b))。第8階振型為沿Z向的豎向運動,其自振周期為0.37s(圖11(c))。質(zhì)量介入系數(shù)合計為99.13%(X向平動)和99.22%(Y向平動)。通過各階振型圖可見,前7階振型均為X向或者Y向的平動振型,且振型規(guī)則,整個構(gòu)造振型變化均勻,網(wǎng)架與桁架相結(jié)合位置經(jīng)過單元不斷調(diào)整,并未出現(xiàn)薄弱點。Z向的豎向運動在第8階才出現(xiàn)?？梢姌?gòu)造布置合理,構(gòu)造剛度均勻。圖11構(gòu)造第1階、第2階及第8階振型圖5、設(shè)計經(jīng)過中難點分析5.1、構(gòu)造空間關(guān)系復(fù)雜初步設(shè)計時,將網(wǎng)架上、下弦根據(jù)普通的曲面網(wǎng)架均勻劃分網(wǎng)格,并通過腹桿連接,舞臺區(qū)網(wǎng)架下弦構(gòu)造布置如此圖12所示。細部設(shè)計時,針對設(shè)備詳細位置,進行桿件位置的局部調(diào)整和刪減,既能保證演出效果,又能實現(xiàn)構(gòu)造的整體規(guī)則。圖12舞臺區(qū)網(wǎng)架下弦構(gòu)造布置由于場館較大、設(shè)備多且復(fù)雜,為保證演出的順利進行,需在構(gòu)造內(nèi)部預(yù)留能夠供人搬運設(shè)備通行的馬道(寬1m、高2m)。因網(wǎng)架曲率過大,使得原網(wǎng)架四角錐單元無法知足馬道尺寸要求,則在需要鋪設(shè)馬道的位置,將網(wǎng)架替換為單元格更大的桁架。構(gòu)造大開洞使構(gòu)造整體剛度不規(guī)則,傳力途徑不明確,開洞周邊屬于構(gòu)造薄弱位置,故將開洞周邊網(wǎng)架單元劃分得小且密,以加強開洞周邊的剛度。根據(jù)方案設(shè)計,內(nèi)外幕墻固定在網(wǎng)架弦桿上。在構(gòu)造的頂部位置,內(nèi)外幕墻間距為4.2m,固定在雙層網(wǎng)架上;在構(gòu)造的底部位置,內(nèi)外幕墻間距為8.4m,固定三雙層網(wǎng)架上。5.2、節(jié)點設(shè)計看臺區(qū)網(wǎng)架布置規(guī)則,節(jié)點處桿件數(shù)量較少,且桿件之間角度較大,故采用螺栓球節(jié)點較為適宜。舞臺區(qū)在三層網(wǎng)架的位置,桿件穿插數(shù)量較多,螺栓球無法知足設(shè)計需求,故舞臺區(qū)以焊接球節(jié)點為主。當節(jié)點處桿件角度小于20、桿件數(shù)量超過10根時,焊接球節(jié)點無法知足設(shè)計需求,應(yīng)選用鑄鋼節(jié)點,如此圖13所示。圖13舞臺區(qū)鑄鋼節(jié)點5.3、構(gòu)造溫度作用分析本項目位于西北地區(qū),主體鋼構(gòu)造在秋天安裝,冬季合攏。溫度分析時考慮了降溫20℃、升溫45℃這兩種極端情況。表1分別給出了恒荷載、降溫、升溫和恒荷載與溫度組合作用下落地支座的水平反力最大值。由表1能夠看出,構(gòu)造受溫度作用、恒荷載影響很大,這是由于半圓形構(gòu)造支座承受恒荷載、溫度作用傳來的水平力較大造成的。對同一根格構(gòu)柱的四個支座反力進行分析,發(fā)現(xiàn)下面規(guī)律:1)單根格構(gòu)柱四個支座所承受的力的合力是基本不變的,合力不隨格構(gòu)柱桿件布置變化而變化;2)同一根格構(gòu)柱四個支座反力中,水平力兩正兩負,可通過調(diào)整桿件布置,對水平力的分配進行優(yōu)化。網(wǎng)架落地支座水平反力最大值/kN表1最終,將格構(gòu)柱斜桿統(tǒng)一布置為斜向同一個方向,如此圖14所示,此種情況下,格構(gòu)柱的水平力基本由華而不實兩個支座承當,另外兩個支座承受的水平力很小。圖14舞臺區(qū)格構(gòu)柱布置6、結(jié)束語蘭州水舞秀場館鋼構(gòu)造主體特別復(fù)雜,有跨度大、大開洞、多種構(gòu)造形式互相結(jié)合等難點,給構(gòu)造設(shè)計和現(xiàn)場施工