1、鋼筋混凝土空間薄殼結構圓頂結構案例分析姓名：章名路班級：建筑121學號： 2012012365指導老師：韓景瑋1.北京老山奧運自行車館(1)項目簡介北京2008奧運會老山自行車賽館位于北京石景山區老山街，屋蓋采用雙層球面網殼結構，覆蓋直徑149. 536 m,矢高14. 69 m,矢跨比約為1/10,表面積約為18 240 m2.網殼支承于傾斜人字形鋼柱及柱頂環形桁架之上，柱頂支承跨度為1 33. 06 m.沿周邊外挑8.238m,網殼厚度2. 8 m,為跨度的1/47. 5.屋蓋以金屬屋面板為主， 中部設玻璃采光帶.鋼 結構總用鋼量為 2040t,合112 k/ m2,其中雙層球面網殼用鋼量

2、約 70 kg, m2(2)結構形式網殼通過24對人字型柱支承于沿周邊均勻分布的24根鋼筋混凝土柱柱頂，人字型柱柱頂設置鋼結構圈梁，利用網殼外挑部分設置圈梁桁架。鋼筋混凝土柱柱頂標高+7.15m,網殼最高點標高+35.49m o網殼采用四角錐網格，最大網格尺寸為4.96m X 4.24m,厚度2.8m。以四角錐網格為主，徑向網格 32個，最外圈環向網 格96個，向內經多次縮格使網格大小均勻，網殼桿 件采用圓鋼管截面，鋼管規格為矽114X4矽203X12,節點為焊接空心球節點，規格為 D 300X 12 一 D600 X 24(加肋).球面網殼周邊通過環形桁架支 承于人字形鋼柱柱頂，環形桁架由4

3、根環梁通過腹桿連接而成全部采用圓鋼管截面，其中網殼上、下弦周邊的 3根環梁截面為500X 16,人 字形鋼柱柱頂環梁截面為 1 200X 20,環梁與腹桿及與人字形鋼柱均采用鋼管相貫節點相節點定位茁連.人字形鋼柱沿環向傾斜設置，共 24對，其截面為1 200 X18的圓鋼管，柱腳采用鑄鋼球較支座節點，如右圖所示.除柱 腳鑄鋼節點鋼材為Gs 20Mn5N外，室內鋼結構鋼材為Q345B,室外則采用 Q345C,以確保低溫下的材料性能.邱胖桁笨心)節點種意圖” 1町1140ku-1(3)計算模型網殼結構設計中假定所有節點為較接節點，桿件為軸心受力的空間桿單元，采用空間桿系有限元法進行分析，分析模型如

4、圖5所示.采用空間網格結構設計軟件TwcAD和通用有限元分析軟件 ABAQUS進行結構分析，以便相互校核.(4)荷載分析由于網殼矢跨比較小，在結構自重、屋面恒載、吊掛荷載及屋面活荷等豎向荷載作用下， 網殼將產生較大的水平推力.由于人字形鋼柱柱腳采用了可以轉動的鑄鋼球較節點，該水平推力主要由沿網殼周邊布置的剛度很大的環形桁架承受，鋼柱僅受軸向壓力作用，減小了鋼柱及下部混凝土結構的負擔.風荷載以風吸力為主， 風荷載作用下結構的內力及變形與豎向荷載作用效應相反， 并使環形桁架受壓、 人字型鋼柱柱腳節點受拉.由于結構體型較大，設 計中考慮了溫度荷載效應，溫度變化根據北京當地的氣候情況取為一20枷C.分

5、析表明，溫度變化時，結構可以自由地發生較大的溫度變形 (見圖6)而不產生溫度應力， 升溫至“0C 時，結點最大水平位移為 26. 9咖.由于半跨雪荷載將使結構產生反對稱變形(見圖7),因此，對半跨雪荷載進行了補充分析.與滿跨活荷載作用相比，在半跨雪荷載作用下，大部分桿件應力有所減小或基本不變，僅無雪荷一側跨度三分點附近個別桿件應力略有增大.總的來說，不對稱分布的雪荷載對該網殼結構的設計不起控制作用.圖6溫度升高時網殼結構變形圖S7不對稱分布雪荷載作用下網殼結構變形圖(5)點剛度對結構性能的影響由于環梁連續設置、 環梁與人字形鋼柱采用鋼管相貫節點連接，節點剛度較大.設計中簡化為節點錢接的桿單元與

6、實際情況不完全相符，盡管一般情況下忽略節點剛度使結構整體設計偏于安全，但節點局部由彎矩引起的次應力可能導致節點失效，危及整體結構的安全； 同時，節點剛度可能限制整體結構“自由地”發生溫度變形而引起較大的溫度應力.為了考察節點剛度對結構性能的影響，將環梁及人字形鋼柱假定為梁單元，補充進行了在豎向荷載和溫度荷載作用下的結構分析.在豎向荷載作用下，網殼大部分桿件應力有所降低，只有與環梁直接相連的個別桿件應力有所增大，且增大幅度很小；網殼上、下弦周邊的3根矽500X16的環梁中剪力、彎矩及扭矩等引起的次應力很小，基本可以忽略不計；人字形鋼柱中 剪力、彎矩及扭矩等引起的次應力也較小， 且人字形柱本身設計

7、應力很低，經驗算，人 字形柱應力仍滿足設計要求；柱頂環梁（西1 200X 20）受力性能類似于多跨連續梁，在與 人字形柱相連的節點處有較大的彎矩作用， 使該節點處環梁應力有較大幅度的增大，達到220 MPa以上，雖滿足設計要求但應力偏 高，因此，結合人字形鋼柱與柱頂環梁相貫 節點的設計，在該節點處外包等厚度補強鋼 板、內襯肋板，如圖11. 一方面滿足節點受 力要求，另一方面可以有效降低該處環梁應 力。（6）結論老山自行車館屋蓋采用的帶人字型柱的雙層球面網殼結構概念清晰、傳力明確、應力分布合理，具有良好的抗震性能和穩定性能；<1>環梁與柱腳鑄鋼球較支座有效的減小了網殼對支柱及基礎的推

8、力，同時也解決了大跨度網架結構的溫度應力問題；<2>設置肋板與墊板提高了環梁大直徑圓鋼管（D=1200）相貫節點抵抗局部失穩的能力，緩解了節點相貫處的局部應力集中，有效的提高了節點的復雜應力作用下的承載能；<3>該網殼結構采用了外擴拼裝及圓形拔桿群接力提升就位的安裝方法，該方法簡便可行、 易于控制安裝精度且施工費用低。2. 2008奧運會羽毛球館（1）項目簡介2008年奧運會羽毛球館位于北京工業大學，該館采用經濟合理的聯方.凱威特型弦支 穹頂結構體系，跨度為 93m,矢跨比未1111. 9。上層為單層網殼，下部布置5圈預應力索桿體系，撐桿高度為 3. 9m8H州。，總建

9、筑面積24383 m2,其中，地下 2580m2,基地面 積24383 m2, 總用地面積 66124m2,體育館規劃用地面積為44355朋2。總坐席數 7508席，其中固定席位 5480席，臨時席位2028席。建筑總高：最高點為25. 95m,檐口高14.83m。 建筑層數：地上 2層，地下1層。(2)屋蓋結構屋蓋采用聯方一凱威特型弦支穹頂結構體系，弦支穹頂是一種將剛性的單層網殼和柔性索撐體系組合在一起的雜交預應力大跨度結構體系。通過索撐體系引入預應力，減小了結構位移，降低了桿件應力，減少了結構對支座的水平推力，提高了結構整體穩定性。跨度為93. 0In,矢高9. 3m,矢跨比為1/10。上

10、弦為聯方一凱威特型組合單層球面網殼， 下部布置五圈索體系， 撐桿高度為3. 9m。網殼的環向桿件采用0245x9,徑向桿件采用0245X 10,撐桿采用159x6的Q345c鋼管。環向索從外到內分別采用拉索SNS/S 7x199,5x139,5x139, 5x61 , 5x61。徑向索最外圈采用 SNS/S 5x61,其余四圈采用 SNS/S 5x37。 鋼管的彈性模量 E=2. 06e11N/m2,索的彈性模量 E=1 . 9e11N/m2。初拉力通過施加單 元初應變引入，徑向索的初拉力通過環向索間接引入。網殼節點為剛接，撐桿與網殼的連接點和撐桿與索的連接點為較接，邊緣支撐采用剛性環桁架梁。

11、田4 I修£竊整三修段1P示國由于施工方法的限制，上層網殼的安裝定位依靠布置在節點下部的臨時支撐完成，焊接完成后部分結構自重仍由臨時支撐承擔。圖第3奧運羽毛球館屋蓋弦支穹頂結構示意圖采取的計算模型加入了外部2. 4m的懸挑部分，懸挑部分采用了羽毛主徑的變截面H型梁，沿梁長方向，梁截面高度、寬度均呈線性變化，翼緣厚度根據應力大小分段變化， 鋼梁腹板開圓孔，孔徑為梁截面高度的2/3,沿梁長方向分步，中心距離為2倍孔徑。鋼 梁材質為 Q345B,截面尺寸為 H850x 350X 12X20,-,300x 250x 12X 18, H600x 300X 10x 14-,300x 250x 1

12、0 X 12。(3)總結< 1>弦支穹頂支撐體系(下弦索系統)的設置是設計的關鍵，需綜合結構體系與節點受力特 點、體系整體穩定性、鋼網殼受力的均勻性、建筑室內美學效果等多方面因素，進行綜合優化設計。< 2>屋面鋼結構與下部看臺結構整體模型計算與屋蓋鋼結構單獨結構模型計算的對比 分析研究表明，下部看臺結構對屋蓋鋼結構設計的影響可不考慮，而下部看臺結構設計必須計及屋蓋鋼結構的影響因素。< 3>結構體系的整體穩定是弦支穹頂結構安全的控制因素。弦支穹頂為風敏感結構，風振響應大，風荷載是結構安全控制荷載之一。地震作用對于結構體系和構件安全設計不是控制 因素體變形影響不是很大，但是使同圈的結構變形很不均勻，在兩張拉點中間的區域起拱值降低10%30%左右。< 4>預應力損失使結構的整體穩定性能下降。通過預應力影響分析表明，弦支穹頂結構的預應力損失使