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结构工程硕士论文-《浅议国家大剧院的网架结构的设计理念》

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日期：2012-2-5作者：无忧论文网编辑：huangt点击次数：15
销售价格：免费论文论文编号：lw201202051907118438论文字数：2593 
论文属性：职称论文论文地区：北京论文语种：中文 

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关键词：支撑体系 结构选型 螺栓球网架 稳定性 北京论文 职称论文

浅议国家大剧院的网架结构的设计理念

 

[提要]　国家大剧院巨型钢壳体安装过程中使用螺栓球网架结构代替普通脚手架作为其临时施工支撑体系,充分发挥了网架结构的空间受力性能,而且装卸方便,可以重复利用。由于该工程体量高大,支撑条件复杂,针对工程需要,进行了支撑体系的合理选型和结构设计研究。

 

[关键词]　支撑体系 结构选型 螺栓球网架 稳定性

 

Bolted-spherical-jointed space truss structure is applied in erection engineering of the National Grand Theatre DomeShell as temporary construction support system instead of currently construction false-work.The space truss structurecan be erected and disassembled conveniently and the structure materials can be reused.Based on the engineering loadand support conditions,this paper researches the rational types choice and structure design.Keywords:construction support system;bolted-spherical-jointed space truss;stability

 

一、钢壳体及其安装方法概述

国家大剧院钢壳体为超大型空间钢结构。其长轴为212·24m,短轴为143·64m,竖轴为45·35m。整个结构完全形成后为稳定的壳体结构。国家大剧院钢壳体由顶环梁、梁架、斜撑杆及环向连杆组成。顶环梁为椭圆形,长轴约为60m,短轴为38m,自重500t左右。梁架又分长轴梁架与短轴梁架,总共有148榀,最大榀的自重约45t。钢构件预先加工成整件或单元件,在场外进行预拼装后,运送至现场,在现场进行组装。长、短轴梁架分成三段安装。在安装过程中,采取设置必要的下部支撑与支架等一系列措施,来保证安装过程中壳体结构的安全。梁架的投影长度最长达76m,必须采用多点支撑,由于梁架吊装时一分为三,所以梁架安装时,除二端有支承外,中间还必须设置二道支撑。场内支撑面为高低不一的建筑屋顶和地下室顶盖,安装过程的支撑结构就落在钢筋混凝土屋面上。出于布置灵活、方便施工、可拆卸、重复利用材料等方面考虑,最终选择用螺栓球网架结构作为国家大剧院巨型钢壳体施工支撑体系。

 

二、支撑网架的荷载及平面布置

根据施工中的顶环梁、梁架布置情况,在梁架连接处以及顶环梁下部设置施工支撑用网架,支撑网架分为三部分:顶环梁拼装平台网架(S0)、第一道拼装平台网架(S1)、第二道拼装平台网架(S2),如图1,2所示。网架S0沿受荷载分布的位置布置,设满堂网架,对部分不受荷载并且受力小的部分进行抽空。网架S1的荷载在平面上沿椭圆形布置。如果考虑网架按椭圆形布置,会导致网架杆件长短不一,球节点规格极不统一,所以选择平面为折线状的网架布置方式。为了尽可能避免结构整体偏心受压,使荷载作用在网架平面范围内,经过分析计算,最后选取十边形、厚度为4m的网架体系。确保95%以上的杆件长度一样,球孔角度一致。

类似地,网架S2选取八边形、厚4m的网架体系。支撑网架的设计考虑如下因素:(1)荷载和温度　静荷载主要是梁架和顶环梁的自重荷载,以及有转换层部位的恒载。同时考虑钢壳体安装时可能出现的冲击荷载,取动力系数1·3。施工活荷载取2·5kN/m2。基本风压取0·35kN/m2。温度分别按正温差30℃和负温差20℃计算。(2)支撑条件　支撑结构下部为钢筋混凝土建筑屋顶,每个支座点位置所承受的荷载不能过大。部分网架要抽空设置施工通道,有些薄弱屋面不能支撑网架结构,有些屋面设置采光井,所以该网架支撑结构只能根据下部结构的要求局部设立支座。

 

三、网架S0结构体系

网架S0平面尺寸为60m×42m的多边形。考虑均匀分散荷载力流,最上一层采用正放四角锥型网架作为过渡层,该层网架高度为1·414m。其余各层均为标准层网格,采用桁架式网架,每网格尺寸2m×2m。结构体系如图3所示。顶环梁支撑在该网架平台的周边,中间有两道钢梁,此部分对应网架的荷载较大,其他部位受荷较小,所以可以对荷载较小的网架部位进行抽空,但考虑到施工的方便安全,最上一层四角锥网架不抽空。抽空布置如图3(d)所示。　　网架S0杆件共计19 360根,采用了二种杆件规格,60×3·5的为17 968根,75·5×3·75的为1 392根。螺栓球节点规格为BS120,共计4 742个,高强螺栓统一采用M22。

 

四、网架S1结构体系

网架S1按平面为多边形折线状布置,长、宽尺寸分别为185,120m,垂直高度最大达到30m。设计中尽量考虑下部结构承载能力,减少加固处理,因此需要进行大量计算确定合适的网架支座位置。支座位置随建筑物屋顶标高高低不一,从顶面向下布置,最下面一层网架根据实际高度确定。网架S1的平面结构布置见图1,三维视图见图4。考虑顶层局部节点承受较大的不均匀荷载,如果采用桁架式杆件布置,部分立杆不能满足承载要求,所以在顶层处设一中间层,由桁架式的腹杆布置变为四角锥式的腹杆布置,分散了集中荷载产生的力流。为了增加网架的水平刚度及稳定性,在网架水平层面局部设置斜杆。

构中斜腹杆的布置对结构荷载的合理传递起很大的作用。所以,对斜腹杆进行优化,选择合理的布置,在应力集中处尽量使受压杆成为受拉杆。主动控制结构传力流向,使各部分的受力比较均匀,从而达到减少杆件种类和节省钢材的目的。经过优化设计,网架S1的总杆件数为23 313根,其中杆件规格60×3·5的为20 463根,75·5×3·75的为2 124根,89×4·0的为624根,114×4·0的为102根。节点数为5 558个,采用螺栓球BS120~BS180规格,高强螺栓采用M22统一规格。

 

五、网架S2结构体系

同网架S1一样,网架S2也按平面为多边形折线状布置,长宽尺寸为123m×83m,垂直高度的最大值达到36m。如图5所示。经过优化设计,网架S2总杆件数22 278根,其中 本论文由无忧论文网www.51lunwen.com整理提供

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