中博會主會場主體結(jié)構(gòu)設(shè)計與其特有技術(shù)

尹 琦

2011年9月，中部六省博覽會在山西省順利召開。作為本次博覽會的主會場，太原煤炭交易中心——展覽中心采用了大跨度的相貫線管桁架，在全國的同類結(jié)構(gòu)中跨度最大。筆者有幸參與了本工程的設(shè)計施工全過程，現(xiàn)將工程設(shè)計及施工的情況及采用的特有技術(shù)簡要介紹如下。

1 工程概況

煤炭交易中心位于太原市長風(fēng)西大街南側(cè)，在項目地址的北面是麗華大廈，南面是長風(fēng)商務(wù)區(qū)綠島文化平臺。項目的東側(cè)、南側(cè)分別為山西省博物館，大劇院，圖書館等建筑。展覽中心作為煤炭交易中心的中心建筑，整個建筑平面為圓環(huán)形，宛如一塊玉璧，契合了山西省的古文化、晉文化的精髓。

展覽中心整個建筑直徑約為260 m，內(nèi)環(huán)直徑為19 m，建筑高度為27 m。采用鋼框架的結(jié)構(gòu)形式:屋面采用相貫線管桁架，內(nèi)外環(huán)分別用兩排鋼柱支撐跨度達(dá)到87 m的屋面，內(nèi)環(huán)鋼柱為16根，外環(huán)為56根。整個展覽中心屋面投影面積約52 000 m2。結(jié)構(gòu)三維模型布置見圖1，結(jié)構(gòu)剖斷面見圖2。

2 結(jié)構(gòu)計算分析

鑒于本工程的復(fù)雜性，計算采用了Midas，Ansys兩個三維空間結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行了主體結(jié)構(gòu)分析、樁基承臺分析、整體結(jié)構(gòu)分析。而后，又進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)受力分析、屈曲分析等內(nèi)容。主體結(jié)構(gòu)及圍護(hù)次結(jié)構(gòu)的總用鋼量約為11 290 t。

3 基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，鋼柱腳受到豎向的荷載，鋼柱最大豎向軸力約為15 000 kN;在風(fēng)力和地震力的組合下又受到上拔力作用，最大值約為6 000 kN，并且基礎(chǔ)承受一定的水平推力。所以在樁基設(shè)計時考慮了多種荷載狀態(tài)下的樁基受力，并選取了后壓漿混凝土灌注樁及承臺的樁基形式。混凝土灌注樁樁長為42.45 m，要求其單樁豎向承載力特征值為4 600 kN;抗拔承載力特征值為2 300 kN。經(jīng)過樁、土、基礎(chǔ)的復(fù)合計算，滿足了最大水平推力。現(xiàn)場試樁能夠較好的滿足設(shè)計要求。

4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計施工采用的特有技術(shù)

4.1 相貫線管桁架焊接節(jié)點(diǎn)

為了展現(xiàn)鋼管的美觀，本工程鋼管采用了現(xiàn)場空間相貫焊接的形式。16種桿件規(guī)格、最大管件直徑達(dá)到1 400 mm、最大節(jié)點(diǎn)交匯處有十根桿件之多。設(shè)計時對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了多種計算復(fù)核，包括根據(jù)《空心管結(jié)構(gòu)設(shè)計連接設(shè)計指南》的計算、有限元計算等等。相貫節(jié)點(diǎn)實(shí)例見圖3。

4.2 屋蓋與柱連接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)

由于在超大跨度下柱頂支座受力很大，計算最大連接板厚度達(dá)到160 mm厚，并且柱節(jié)點(diǎn)位于26 m的高空，施工極為不便，并且施工質(zhì)量不好保證，所以節(jié)點(diǎn)連接采用了銷軸連接并且選用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)形式。鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用了Ansys有限元計算軟件進(jìn)行分析，設(shè)計時參考了德國標(biāo)準(zhǔn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)實(shí)例見圖4。

4.3 同步預(yù)調(diào)節(jié)點(diǎn)

在大跨結(jié)構(gòu)的前提下，并且在相關(guān)設(shè)備荷載的制約下，屋蓋撓度超過了規(guī)范允許的屋蓋變形值290 mm。但是柱剛度增加對基礎(chǔ)不利;梁剛度增加又顯得結(jié)構(gòu)笨重，增加了耗鋼量，于是采用了同步與調(diào)節(jié)點(diǎn)的辦法，釋放了屋蓋約束，在屋蓋結(jié)構(gòu)下?lián)稀⑼馔茣r再將結(jié)構(gòu)鎖死。此技術(shù)也采用Ansys軟件進(jìn)行了預(yù)分析，將跨中選取的吊裝節(jié)點(diǎn)和制作的所有節(jié)點(diǎn)同時預(yù)調(diào)。圖5為預(yù)調(diào)示意圖。

4.4 針對溫度效應(yīng)的分析

溫度應(yīng)力也是本工程影響結(jié)構(gòu)設(shè)計施工的很大因素。本工程屋面直徑很大，達(dá)到260 m，溫度變化將會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大變形，影響到結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)。依據(jù)氣象資料及施工情況，主體結(jié)構(gòu)合龍溫度為(15±5)℃，暫定結(jié)構(gòu)整體溫度升高30℃。溫度應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)的屋面主體結(jié)構(gòu)的變形和屋面覆蓋層金屬屋面板的變形兩個方面。經(jīng)過有限元分析，得知屋面主體結(jié)構(gòu)的變形影響到外環(huán)鋼柱的最大側(cè)移為31 mm，小于h/300=52.6 mm。升溫30℃時，最大整體變形也只有31 mm，次要桿件的變形也只有1 mm～3 mm。而施工裝備誤差為5 mm。經(jīng)過計算表明，由溫度引起的結(jié)構(gòu)位移還是在規(guī)范和施工誤差的范圍內(nèi)，下料也可根據(jù)理論計算下料。第二個方面是屋面覆蓋的金屬屋面板的溫度收縮，通過一定間距的天窗，并且裝配時有一定縫隙來解決屋面金屬板的溫度收縮問題。整個屋面開設(shè)了2 000個天窗，每個天窗抬高屋面，而計算屋面溫度產(chǎn)生的脹縮最大值也只有880 mm，較好的解決了溫度問題。

4.5 過載保護(hù)幕墻技術(shù)

本工程內(nèi)環(huán)采用玻璃幕墻，單層幕墻高度達(dá)到20 m，面積超過3 000 m2。其荷載較大，連接在主體結(jié)構(gòu)上，對主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的影響也較大。為了減輕如此龐大的幕墻對結(jié)構(gòu)的影響，幕墻系統(tǒng)采用了過載保護(hù)幕墻技術(shù)。幕墻結(jié)構(gòu)采用單向索支結(jié)構(gòu)體系，在幕墻結(jié)構(gòu)下部設(shè)置過載保護(hù)器，上部與主體鋼結(jié)構(gòu)鉸接。鋼拉索施加20 t預(yù)張力，保證結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)及承受豎向荷載的性能，并且增加了幕墻體系的安全系數(shù)，對主體結(jié)構(gòu)的影響較小。

5 結(jié)語

通過采用特有新技術(shù)，精心設(shè)計精心施工，煤炭交易中心——展覽中心順利的竣工，并且在中博會中發(fā)揮了重要作用，成為太原市的新地標(biāo)建筑。而新的技術(shù)也取得了美觀、經(jīng)濟(jì)、安全的較好效果。