某展览中心屋面网架结构设计与施工

某展览中心屋面网架结构设计与施工

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某国际展览中心

屋盖网架结构设计与施工

一工程概况

某展馆屋盖纵向投影尺寸为379m，横向投影尺寸最大为154m，投影面积约为5.5万㎡，分A、B、C三个区，为目前国内最大的专业家具展览中心。

屋盖采用了出屋面的斜拉弧形网架结构，网架采用正放四角锥螺栓球节点形式，其纵向柱距A、C区为21m，B区为30m，跨向柱距为90m。沿跨向设置钢管拉杆，纵向设置预应力拉索，并在跨向大悬挑端处设置垂直钢管锚杆与地下基础连接，网架通过钢管斜拉杆和预应力拉索悬挂在与下部钢筋混凝土柱相连的箱形钢柱上。

整个展馆由于跨度大，柱子少，有效使用面积大，使展览中心产生了较好的使用效果和经济效益。同时由于展览中心的建筑造型气势雄伟，建成之后，已成为当地的标志性建筑之一，图1为屋面网架平面布置及剖面图。

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图1 屋面网架平面布置及剖面图

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二结构设计

结合本工程的特点，作为一座大型展览馆，除考虑建筑结构的美观性外，还必须考虑其经济性与实用性。大空间却不增加很多的造价；展厅内柱点少有更多的使用面积；建筑造型要体现现代感。建筑师希望屋盖采用弧形变厚度结构，横向支承柱跨度要求为90m，柱外侧悬挑21～32m。按照上述要求，经过分析比较，决定采用出屋面的斜拉杆加网架的屋盖结构体系。因为一般的大跨度斜拉网架结构由于没有后平衡，必须把钢筋混凝土柱截面做得很大，往往不美观也不经济，而本工程可以采用两侧平衡的斜拉杆，且悬挑端（外墙边）可设垂直竖向拉锚杆，使得结构体系很合理。

网架采用正放四角锥弧形变厚度形式，由于有屋面斜拉杆，90m跨中处厚度可以做到仅3.5m，考虑到斜拉杆连接的方便性，支承柱上部采用钢结构，钢筋混凝土大柱伸至于网架内部，上部16m改用钢柱进行连接。钢柱和钢筋混凝土柱间设计成铰接，最大程度减少了屋盖对柱子的弯矩。斜拉杆的作用力很大，结构上不需要施加预应力，设计时考虑施工方便没有采用钢索而是采用了无缝钢管拉杆。由于高低跨交界处低跨网架无法设斜拉结构，在高低跨网架之间设置了垂直拉杆使A、B、C三区的网架起协同工作，避免了低跨网架出现开口端大跨度。钢柱、拉杆和屋面网架结构分析时整体计算，共有5597个节点，21350根杆件，采用SFCAD2000作优化设计。分析结果显示除与拉杆相连的节点的少量杆件外，网架结构的杆件受力不是很大，基本上都可用螺栓球节点连接。

拉杆与网架球节点的连接，因拉杆最大拉力达4170kN, 焊接球也无法满足受力要求，设计时考虑球内加穿透肋板进行力的传递。经研究，采用图2中的焊接球与钢管连接大样。焊接球选用材质为Q235B，型号为φ500×20的两个半球分别与60mm厚的连接板连接。连接板与钢管的端头板通过φ100轴销（45#钢）连接。与钢柱相连拉杆截面分别为φ351×14、φ351×16与φ351×20，与基础连接锚杆截面分别为φ402×20、φ351×14、φ351×16。拉（锚）杆长度均在20m以上，高跨处最长为35m，全部采用无缝钢管。

出屋面钢柱高16m，开始时设计考虑采用φ800×25圆钢管截面，因圆钢管截面各向同性，焊接连接节点处理简单，但此类钢管型号国内较少，且工期较紧，经设计分析计算，改用□800×600×22箱形断面柱。在斜拉杆与箱形钢柱连接节点处及网架节点与箱形钢柱连接节点处的钢柱部份均加设肋板，防止钢柱在拉力作用下变形。其中拉杆与箱形钢柱连接节点处采用二块肋板，因为此处拉力最大达到4000kN以上。此外加肋板与钢柱的连接均为剖口等强焊接。在此区域附近，箱形钢柱钢板对接焊缝均为一级。

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钢柱与网架连接具体做法详见图2中节点大样图，网架上弦通过半球与箱形柱连接。

箱形柱底部相当于网架的铰接支座，箱形柱底板采用-1200×1000×36钢板，下面设-1100×900×80弧形压力支座，共设20-M30带弹簧的柱脚螺栓。

图2 钢柱拉杆节点示意图

出屋面部分的平面外稳定考虑在钢柱与钢柱之间采用小预应力交叉钢索作为柱间支撑。斜拉索采用预应力钢丝束19φs5拉接，张拉时控制钢丝束的张紧力为30kN～40kN。在钢柱上一边设固定端，另一端设张拉端，这样整个结构达到几何稳定性。详见图3所示。

屋面上荷载作用有网架自重、金属屋面板、吊顶、马道、活动幕和活荷载。该工程屋面造型复杂，为确定风荷载的取值进行了风洞试验。试验表明屋面风荷载基本上以负风压为主。经过结构受力计算，风荷载对结构内力不起控制作用，只是在悬挑端处对网架杆件有影响。由于该结构长宽两个方向的尺寸均较大，需对在温度变化情况下，结构的内力和位移进行计算，设计时考虑了±25℃的温度变化。在最不利组合荷载作用下，网架节点最大挠度为130mm，在不考虑活荷载作用下，网架竖向挠度仅为90mm，悬挑端网架挠度15mm，经过分析，发现此种形式的斜拉网架刚度较好，整体水平变形较小。网架结构的网格尺寸

较大，基本网格尺寸为4.2m×5m，为避免杆件运输和安装过程中的变形和失稳，最小杆件

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截面取φ75.5×3.75。经设计优化计算，网架最大杆件截面规格为φ245×20，高强螺栓规格M20～M64。

图3 预应力拉索节点示意图

三网架施工

由于本工程结构形式的特殊性，在施工前制定了详细的施工组织设计方案。网架总体施工方法为分区分块对称安装，固定胎架、滑移工作平台和局部吊装相结合的方法。在各区段施工中，首先在斜拉杆与焊接球连接部位区域搭设固定胎架，此胎架在斜拉杆还未承力前作为网架的一个支点，应满足结构受力需要，同时使拉杆安装时方便、准确。因跨度较大，该胎架承受荷载较大，在搭设前经过严格的计算。对于其余部分网架的安装则采用满堂脚手架（悬挑部分）与滑移工作平台（室内部份）相结合的高空散装形式。钢柱的安装采用40T的汽车吊将钢柱吊至于混凝土柱顶，用全站仪对钢柱进行调平、调直，并与砼柱顶连接固定。斜拉杆采用80T履带吊进行安装，同时进行另外方向的预应力交叉拉索的安装与张拉。在每一分块安装过程中，遵照施工组织设计的要求，按步骤进行施工。特别由于拉杆与钢柱、拉杆（锚杆）与网架的连接均采用现场焊接，其焊接变形和焊缝质量应严格控制。

施工完毕后，经测试，各项指标均满足设计和规范要求。

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四结束语

1、本工程屋面曲面造型优美，跨度大、高度较高，结构设计难度较大。采用出屋面斜拉网架结构获得较好经济指标，同时使展馆室内获得更多的使用空间。

2、设计采用新型的钢柱与混凝土柱支座连接节点，可有效减小对下部结构弯矩作用。在钢管拉力较大的情况下，采用穿透式钢板连接节点传力直接，受力明确。

3、施工过程中在拉杆与网架焊接球连接部位搭设固定胎架，作为网架临时支点，对斜拉杆安装及控制网架挠度起到很好效果，同时也提高网架安装的精度，更能符合此类结构的受力特性。

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