哈爾濱國際會議展覽體育中心

體育場大跨鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計范峰博士、教授博士生導(dǎo)師哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心2006年8月哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院體育場遠(yuǎn)景建筑專業(yè)提出的要求1.看臺結(jié)構(gòu)出挑大，罩蓬的支承結(jié)構(gòu)要完全獨立于看臺結(jié)構(gòu)2.建筑效果要求，罩蓬支承點越少越好3.罩蓬結(jié)構(gòu)構(gòu)外觀曲面平滑流暢，具有較強(qiáng)個性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置簡潔明了體育場罩蓬結(jié)構(gòu)模型長度為247.5m，最大寬度64.2m，每片罩蓬面積約15000m2前端變截面拋物線格構(gòu)式拱+后端變截面空間曲梁+12道巨型網(wǎng)格空間桁架一、結(jié)構(gòu)方案概況安裝好的挑蓬結(jié)構(gòu)體育場罩蓬結(jié)構(gòu)平面圖屋面荷載通過橫向桁架傳遞到前端拱和后端曲梁上，拱與曲梁在拱腳處相交于一點，兩者的合力傳遞給有拱腳，曲梁還通過跨中的4個支座（水平可滑移）支承體育場罩蓬結(jié)構(gòu)側(cè)立面圖前拱為的兩鉸拱，跨度247.5m，矢高48.4m，矢跨比接近1/5該拱傾斜65度放置，拱截面為菱形截面，拱中部截面高為12m寬為7.2m空間曲梁截面同樣為菱形，中部高為9m，寬為5.4m挑蓬結(jié)構(gòu)的側(cè)面照片主要構(gòu)件截面圖橫向桁架構(gòu)造特點12道橫向桁架，結(jié)構(gòu)形式一樣，為三角形截面的空間桁架，桁架跨度隨罩蓬的曲線而變化，桁架寬度約7m，罩蓬中間最大跨桁架的高度接近6m，隨著跨度的減小，桁架高度跟隨拱和曲梁的截面而變小，這與這些桁架的受力特點相吻合由于罩蓬中拱、曲梁和桁架的截面尺寸均較大，相應(yīng)的各構(gòu)件的節(jié)間劃分尺寸也較大，形成了這種統(tǒng)一的巨型網(wǎng)格劃分形式，這也是本罩蓬結(jié)構(gòu)的特點之一。二、結(jié)構(gòu)分析析與設(shè)計荷載基本參數(shù)數(shù)基本雪壓：0.5kN/m2雪荷分布系數(shù)數(shù)(考慮積雪基本風(fēng)壓：0.65kN/m2風(fēng)振系數(shù)：1.3溫度作用：考考慮±50℃℃的溫差作用用結(jié)構(gòu)分析時，，將罩蓬結(jié)構(gòu)構(gòu)中的前拱、、后部曲梁及及12道橫向向桁架整體分分析，分析軟軟件采用的是是ANSYS5.7。。為了提高設(shè)計計效率，為此此專門開發(fā)了了一套較為完完善的適用于于空間結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計的ANSYS軟件前前、后處理模模塊，拓展了了ANSYS軟件的的設(shè)計功能。。荷載工況：<1>恒+活+風(fēng)(沿沿y負(fù)向)+正溫<2>恒+活+風(fēng)(沿沿y負(fù)向)+負(fù)溫<3>恒+風(fēng)(沿y正正向)+正正溫

<4>恒+風(fēng)(沿y正向)+負(fù)溫<5>恒恒+風(fēng)(沿x向)+正正溫(風(fēng)荷載載按下端開敞敞考慮)<6>恒+風(fēng)(沿x向<11>恒+風(fēng)(沿x正向)+正溫(考慮半跨懸掛荷載)

<12>恒+風(fēng)(沿x正向)+負(fù)溫(考慮半跨懸掛荷載)

<13>恒+活

<14>恒+活（半）+風(fēng)(沿x正向壓)+正溫(考慮半跨懸掛荷載)

(風(fēng)荷載按下端封閉考慮)

<15>恒+活（半）+風(fēng)(沿x正向壓)+負(fù)溫(考慮半跨懸掛荷載)

(風(fēng)荷載按下端封閉考慮)

荷載工況：<1>恒+活+風(fēng)(沿沿y負(fù)向)+正溫<2>恒+活+風(fēng)(沿沿y負(fù)向)+負(fù)溫<3>恒+風(fēng)(沿y正正向)+正正溫

<4>恒+風(fēng)(沿y正向)+負(fù)溫<5>恒恒+風(fēng)(沿x向)+正正溫(風(fēng)荷載載按下端開敞敞考慮)<6>恒+風(fēng)(沿x向向)+負(fù)溫溫(風(fēng)荷載按按下端開敞<11>恒+風(fēng)(沿x正向)+正溫(考慮半跨懸掛荷載)

<12>恒+風(fēng)(沿x正向)+負(fù)溫(考慮半跨懸掛荷載)

<13>恒+活

<14>恒+活（半）+風(fēng)(沿x正向壓)+正溫(考慮半跨懸掛荷載)

(風(fēng)荷載按下端封閉考慮)

<15>恒+活（半）+風(fēng)(沿x正向壓)+負(fù)溫(考慮半跨懸掛荷載)

(風(fēng)荷載按下端封閉考慮)

工況一：恒+活+風(fēng)(沿沿y負(fù)向)+正溫工況二：恒+活+風(fēng)(沿沿y負(fù)向)+負(fù)溫工況七：恒+活（半）+風(fēng)(沿y負(fù)負(fù)向)+正溫溫工況八：恒+活（半）+風(fēng)(沿y負(fù)負(fù)向)+負(fù)溫溫1/1711/2831/272-37.50-17.4218.08173-194151/2671/1971/36324.0825.0013.58160-208141/3001/3841/869-21.4212.835.67186-144131/2661/1901/408-24.17-25.83-12.08172-97121/2251/2501/29828.5019.67-16.50131-114111/4181/3381/857-15.33-14.585.7587-73101/2961/2011/79821.6724.506.17106-7391/1481/2691/422-43.17-18.3311.67218-21581/2771/1751/635-23.1728.08

7.75220-22371/2481/1921/377-25.92-25.67-13.08177-10161/2191/2461/29029.3320.0017.00130-12451/4161/3461/883-15.42-14.255.5884-6741/3061/2001/85721.0024.675.75104-6831/1441/2861/523-44.50

-17.259.42222-22221/2531/1661/679-25.4229.58

7.25222-2291Uz/LL=64.20mUy/HH=49.25mUx/HH=49.25mUz-maxcm(標(biāo)準(zhǔn)值)Uy-maxcm標(biāo)準(zhǔn)值`Ux-maxcm(標(biāo)準(zhǔn)值)

最大拉應(yīng)力Mpa最大壓應(yīng)力Mpa工況表一：體育場場屋面在各表二：體育場屋面面在各荷載工況下下的支座反力(設(shè)設(shè)計值)kN13754188203875994633293-76068562-29352751513264139211476744606293-89468535-293661514831583157946794611991146-15084119911461508413-112-2474-354-3563-787-6753707-179867579912-161-2523-278-3488-814-6752367-1825675214011133467473891-6079-537410647-5688-5374-106471085419549967-6106-53749307-5715-5374-9307912008135491041712309174425277-2373219162527723732811959135011049212384174155277-25072191355277250727299-239798-3530-247-6753265-164967512416250-2445173-3455-274-6751925-167667525815544544925925-5539-537410205-5539-5374-10205449649610001000-5566-53748865-5566-5374-8865313894138941245712457198255277-2568819825527725688213846138461253312533197985277-27028197985277270281FzFzFzFzFzFyFxFzFyFx支座46支座5支座4支座3支座2支座1工況

前五階振型周期(s):11.926321.1746

31.149040.812150.7273振型與周期第一階振型第二階振型第三階振型第四階振型第五階振型前部拱的4條縱向向弦桿的受力很均均勻，選擇的截面為ф610X40后部空間曲梁的上上下縱向弦桿受力力較大，截面選為ф610X40桁架弦桿與腹桿間為相貫焊接連接材質(zhì)為Q345D構(gòu)件截面及材質(zhì)分析結(jié)果最大受壓桿件為前拱接近拱腳及及跨中處的上弦桿，壓應(yīng)力值為229Mpa，最大受拉桿件為為后部曲梁跨中處處的下弦桿，拉應(yīng)力值為222Mpa。前部拱的4條縱縱向弦桿的受力很很均勻。最大撓度在前拱中中部節(jié)點，為44.50cm，撓跨比（f/L,L為橫向挑出長度度）=1/144最大橫向水平位移移為29.58cm,Uy/H=1/166拱腳支座水平最大大推力2703t分析結(jié)果橫向風(fēng)荷對結(jié)構(gòu)對對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響最最大，對構(gòu)件內(nèi)力及罩罩蓬整體側(cè)移均起起控制作用，對于于類似結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷荷載的設(shè)計參數(shù)取取值需要慎重對待待半跨荷載作用的工工況是前拱的最不不利工況溫度作用對構(gòu)件內(nèi)力基本無影響，對結(jié)構(gòu)水平側(cè)移影響也較小，但對豎向撓度影響較大，負(fù)溫時豎向撓度增加較大，負(fù)溫工況通常是豎向撓度的控制工況，這是由于本罩蓬結(jié)構(gòu)形狀及支座約束條件決定的。時程響應(yīng)分析結(jié)果果表明：地震作用用對結(jié)構(gòu)設(shè)計計不起控制制作用罩棚總用鋼量(雙片):3438t張弦桁架折合重量量：三、方案對比分析析結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)標(biāo)1.加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度度，以滿足規(guī)范限限值2.降低拱腳推力，方方便基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計計3.減小拱、梁、桁架架中構(gòu)件最大截面面4.獲得比較理想的經(jīng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)初始方案：最初的一些方案中中，結(jié)構(gòu)支座少，，HJ-1的拱矢矢高很矮，HJ-1、2的截面面高度小，初始的的方案都由于剛度度不夠或是選取桿桿件過大而不合合理。初始方案改進(jìn)探討討：1.HJ-1的大大矢跨比2.加大大構(gòu)件高度，采用用巨型網(wǎng)格3.合合理布置支座方案一：前桁架梁垂直高度度為36m

拱腳腳跨度為247.462m，巨巨型網(wǎng)格：

HJ-1與HJ-2的面內(nèi)高度均為為15m，

HJ-3~8構(gòu)件高高度7.5m，后后部支座增但最大管徑需選用ф1000X40方案二：幾何外形及建筑師師的要求，將構(gòu)件件高度降低：前前桁架梁垂直高度度變?yōu)?9.25m

拱腳跨度度為247.462m，

HJ-1與HJ-2面內(nèi)高度變化化為12m，且變截面，HJ-3~8高度度為6m。后后部支座增加到二個結(jié)果：最大管徑ф813X40方案三：解決HJ-1的力力線的偏心問題：將HJ-1的截面面形心線（圓?。?/p>

改為拋物線后部支座增加到四個結(jié)果：HJ-2截截面高度降到9m，

最大管徑ф610X40方案一側(cè)立面圖方案二側(cè)立面圖方案三側(cè)立面圖以下為三種方案的的數(shù)據(jù)列表：（荷載工況為：<1>恒+活+風(fēng)(沿y負(fù)向)+正溫）表三：體育場屋面面在各荷載工況下下的應(yīng)力、位移及及用鋼量17191/1441/1661/679-44.5029.587.25222-229318751/2021/1371/465-31.6735.810.58239-225240851/1311/981/379-49.0836.769.5280-2341用鋼量(t)Uz/HH=64.2mUy/HH=49.2mUx/HH=49.2mUz-maxcm標(biāo)準(zhǔn)值Uy-maxcm標(biāo)準(zhǔn)值

Ux-maxcm標(biāo)準(zhǔn)值最大拉應(yīng)力Mpa設(shè)計值最大壓應(yīng)力Mpa設(shè)計值

方案

表四：體育場屋面面在各荷載工況下下的支座反力(設(shè)設(shè)計值)kN13846138461253312533197985277-270281979852772702832614126141

202435234-357932024352343579323596335963

379795302-53567379795302535671FzFzFzFzFzFyFxFzFyFx支座6支座5支座4支座3支座2支座1方案最終實施方案為方方案三施工中的挑蓬結(jié)構(gòu)構(gòu)四、總結(jié)1．對