哈尔滨国际会展体育中心体育场大跨钢结构设计.ppt

1、哈尔滨国际会议展览体育中心哈尔滨国际会议展览体育中心体育场体育场大跨钢结构设计大跨钢结构设计范 峰博士、教授博士、教授博士生导师博士生导师哈尔滨工业大学空间结构研究中心20062006年年8 8月月哈尔滨工业大学土木工程学院体育场远景建筑专业提出的要求1.1.看台结构出挑大，罩蓬的支承结构要完全独立看台结构出挑大，罩蓬的支承结构要完全独立 于看台结构于看台结构2.2.建筑效果要求，罩蓬支承点越少越好建筑效果要求，罩蓬支承点越少越好3.3.罩蓬结构构外观曲面平滑流畅，具有较强个性，罩蓬结构构外观曲面平滑流畅，具有较强个性，结构构件布置简洁明了结构构件布置简洁明了体育场罩蓬结构模型长度为247.5

2、m，最大宽度64.2m，每片罩蓬面积约15000m2前端变截面抛物线格构式拱+后端变截面空间曲梁 +12道巨型网格空间桁架一、结构方案概况安装好的挑蓬结构体育场罩蓬结构平面图屋面荷载通过横向桁架传递到前端拱和后端曲梁上，拱与曲梁在拱脚处相交于一点，两者的合力传递给有拱脚，曲梁还通过跨中的4个支座（水平可滑移）支承体育场罩蓬结构侧立面图前拱为的两铰拱，跨度247.5m，矢高48.4m，矢跨比接近1/5 该拱倾斜65度放置，拱截面为菱形截面，拱中部截面高为12m宽为7.2m空间曲梁截面同样为菱形，中部高为9m，宽为5.4m挑蓬结构的侧面照片主要构件截面图横向桁架构造特点12道横向桁架，结构形式一样

3、，为三角形截面的空间桁架，桁架跨度随罩蓬的曲线而变化，桁架宽度约7m，罩蓬中间最大跨桁架的高度接近6m，随着跨度的减小，桁架高度跟随拱和曲梁的截面而变小，这与这些桁架的受力特点相吻合由于罩蓬中拱、曲梁和桁架的截面尺寸均较大，相应的各构件的节间划分尺寸也较大，形成了这种统一的巨型网格划分形式，这也是本罩蓬结构的特点之一。二、结构分析与设计荷载基本参数基本雪压：0.5 kN/m2 雪荷分布系数(考虑积雪效应)：1.6基本风压：0.65 kN/m2 风振系数：1.3温度作用：考虑50的温差作用分析软件拓展功能 结构分析时，将罩蓬结构中的前拱、后部曲梁及12道横向桁架整体分析，分析软件采用的是ANSY

4、S 5.7。为了提高设计效率，为此专门开发了一套较为完善的适用于空间结构设计的ANSYS软件前、后处理模块，拓展了ANSYS软 件的设计功能。荷载工况：恒+活+风(沿y负向)+正温 恒+活+风(沿y负向)+负温 恒+风(沿y正向)+正温 恒+风(沿y正向)+负温 恒+风(沿x向)+正温(风荷载按下端开敞考虑)恒+风(沿x向)+负温(风荷载按下端开敞考虑)恒+活（半）+风(沿y负向)+正温 恒+活（半）+风(沿y负向)+负温 恒+风(沿y正向)+正温 (考虑半跨悬挂荷载)恒+风(沿y正向)+负温 (考虑半跨悬挂荷载)恒+风(沿x正向)+正温 (考虑半跨悬挂荷载)恒+风(沿x正向)+负温 (考虑半

5、跨悬挂荷载)恒+活 恒+活（半）+风(沿x正向压)+正温(考虑半跨悬挂荷载)(风荷载按下端封闭考虑)恒+活（半）+风(沿x正向压)+负温(考虑半跨悬挂荷载)(风荷载按下端封闭考虑)荷载工况：恒+活+风(沿y负向)+正温 恒+活+风(沿y负向)+负温 恒+风(沿y正向)+正温 恒+风(沿y正向)+负温 恒+风(沿x向)+正温(风荷载按下端开敞考虑)恒+风(沿x向)+负温(风荷载按下端开敞考虑)恒+活（半）+风(沿y负向)+正温 恒+活（半）+风(沿y负向)+负温 恒+风(沿y正向)+正温 (考虑半跨悬挂荷载)恒+风(沿y正向)+负温 (考虑半跨悬挂荷载)恒+风(沿x正向)+正温 (考虑半跨悬挂荷

6、载)恒+风(沿x正向)+负温 (考虑半跨悬挂荷载)恒+活 恒+活（半）+风(沿x正向压)+正温(考虑半跨悬挂荷载)(风荷载按下端封闭考虑)恒+活（半）+风(沿x正向压)+负温(考虑半跨悬挂荷载)(风荷载按下端封闭考虑)工况一：恒工况一：恒+活活+风风(沿沿y y负向负向)+)+正温正温工况二：恒工况二：恒+活活+风风(沿沿y y负向负向)+)+负温负温工况七：恒工况七：恒+活（半）活（半）+风风(沿沿y y负向负向)+)+正温正温工况八：恒工况八：恒+活（半）活（半）+风风(沿沿y y负向负向)+)+负温负温1/1711/2831/272-37.50-17.4218.08173-194151/

7、2671/1971/36324.0825.0013.58160-208141/3001/3841/869-21.4212.835.67186-144131/2661/1901/408-24.17-25.83-12.08172-97121/2251/2501/29828.5019.67-16.50131-114111/4181/3381/857-15.33-14.585.7587-73101/2961/2011/79821.6724.506.17106-7391/1481/2691/422-43.17-18.3311.67218-21581/2771/1751/635-23.1728.087.7

8、5220-22371/2481/1921/377-25.92-25.67-13.08177-10161/2191/2461/29029.3320.0017.00130-12451/4161/3461/883-15.42-14.255.5884-6741/3061/2001/85721.0024.675.75104-6831/1441/2861/523-44.50-17.259.42222-22221/2531/1661/679-25.4229.587.25222-2291Uz/LL=64.20mUy/HH=49.25mUx/HH=49.25mUz-maxcm(标准值)Uy-maxcm标准值Ux

9、-maxcm(标准值)最大拉应力Mpa最大压应力Mpa工况表一：体育场屋面在各荷载工况下的应力及位移表一：体育场屋面在各荷载工况下的应力及位移表二：体育场屋面在各荷载工况下的支座反力表二：体育场屋面在各荷载工况下的支座反力(设计值设计值)kN13754188203875994633293-76068562-29352751513264139211476744606293-89468535-293661514831583157946794611991146-15084119911461508413-112-2474-354-3563-787-6753707-179867579912-161-25

10、23-278-3488-814-6752367-1825675214011133467473891-6079-537410647-5688-5374-106471085419549967-6106-53749307-5715-5374-9307912008135491041712309174425277-2373219162527723732811959135011049212384174155277-25072191355277250727299-239798-3530-247-6753265-164967512416250-2445173-3455-274-6751925-16766752

11、5815544544925925-5539-537410205-5539-5374-10205449649610001000-5566-53748865-5566-5374-8865313894138941245712457198255277-2568819825527725688213846138461253312533197985277-27028197985277270281FzFzFzFzFzFyFxFzFyFx支座46支座5支座4支座3支座2支座1工况 前五阶振型周期前五阶振型周期(s):(s):1 1 1.92631.9263 2 2 1.17461.1746 3 3 1.1490

12、1.1490 4 4 0.81210.8121 5 5 0.72730.7273 振型与周期第一阶振型第二阶振型第三阶振型第四阶振型第五阶振型前部拱的4条纵向弦杆的受力很均匀，选择的截 面为610X40后部空间曲梁的上下纵向弦杆受力较大，截面 选为610X40 其它杆件基本上按满应力的原则自动选择截面 桁架弦杆与腹杆间为相贯焊接连接 材质为Q345D构件截面及材质分析结果最大受压杆件为前拱接近拱脚及跨中处的上弦杆，压应力值为229Mpa，最大受拉杆件为后部曲梁跨中处的下弦杆，拉应力值为222Mpa。前部拱的4条纵向弦杆的受力很均匀。最大挠度在前拱中部节点，为44.50cm，挠跨比 （f/L,L

13、为横向挑出长度）=1/144 最大横向水平位移为29.58cm,Uy/H=1/166 拱脚支座水平最大推力2703t分析结果 横向风荷对结构对结构响应影响最大，对构件内力及罩蓬整体侧移均起控制作用，对于类似结构，风荷载的设计参数取值需要慎重对待 半跨荷载作用的工况是前拱的最不利工况，控制了拱杆件截面的选择，这与拱的工作性能是一致的 温度作用对构件内力基本无影响，对结构水平侧移影响也较小，但对竖向挠度影响较大，负温时竖向挠度增加较大，负温工况通常是竖向挠度的控制工况，这是由于本罩蓬结构形状及支座约束条件决定的。时程响应分析结果表明：地震作用对结构设时程响应分析结果表明：地震作用对结构设 计不起控

14、制作用计不起控制作用 罩棚总用钢量罩棚总用钢量(双片双片):):3438 t 张弦桁架折合重量：张弦桁架折合重量：三、方案对比分析结构优化设计目标1.加强结构整体刚度，以满足规范限值2.降低拱脚推力，方便基础结构设计3.减小拱、梁、桁架中构件最大截面4.获得比较理想的经济指标初始方案：最初的一些方案中，结构支座少，HJ-1的拱矢高很矮，HJ-1、2的截面高度小，初始的方案都由于刚度不够或是选取杆件过大而不合理。初始方案改进探讨：1.HJ-1的大矢跨比 2.加大构件高度，采用巨型网格 3.合理布置支座方案一：前桁架梁垂直高度为36m拱脚跨度为247.462m，巨型网格：HJ-1与HJ-2的面内高

15、度均为15m，HJ-38构件高度7.5m，后部支座增加到二个二个结果：刚度加大，用钢量降低，但最大管径需选用1000X401000X40方案二：几何外形及建筑师的要求，将构件 高度降低：前桁架梁垂直高度变为49.25m 拱脚跨度为247.462m，HJ-1 与HJ-2面内高度变化为12 m，且变截面，HJ-38高度为6m。后部支座增加到二个二个 结果：最大管径813X40813X40方案三：解决HJ-1的力线的偏心偏心问题：将HJ-1的截面形心线（圆弧圆弧）改为抛物线抛物线后部支座增加到四个四个结果：HJ-2截面高度降到9m，最大管径610X40610X40方案一侧立面图方案二侧立面图方案三侧

16、立面图以下为三种方案的数据列表：（荷载工况为：恒+活+风(沿y负向)+正温）表三：体育场屋面在各荷载工况下的应力、位移及用钢量表三：体育场屋面在各荷载工况下的应力、位移及用钢量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用钢量(t)Uz/HH=64.2mUy/HH=49.2mUx/HH=49.2mUz-maxcm标准值Uy-maxcm标准值Ux-maxcm标准值最大拉应力Mpa设计值最大压应力

17、Mpa设计值方案表四：体育场屋面在各荷载工况下的支座反力表四：体育场屋面在各荷载工况下的支座反力(设计值设计值)kN13846138461253312533197985277-270281979852772702832614126141202435234-357932024352343579323596335963379795302-53567379795302535671FzFzFzFzFzFyFxFzFyFx支座6支座5支座4支座3支座2支座1方案 最终实施方案为方案三最终实施方案为方案三施工中的挑蓬结构四、总结1对于大跨度空间的设计，结构专业应与建筑专业在方案设计阶段紧密配合，使建筑方案和结构方案在互动中不断改进，只有这两个专业充分融合，才可能产生比较理想的大跨度空间建筑。2本罩蓬结构中采用的这种巨型网格划分、简洁明确的构件布置形式，对于大跨度空间结构的方案选型提供一种思路。3拱的轴线形式、矢跨比等关键参数对拱的工作性能产生的影响是十分巨大的，对于该类结构的设计，需要进行多参数的仔细推敲，方可找到其理想的取值。Thank You!