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预应力钢柑网组合结构屋盖的设计与施工
南京体院体育馆平面呈椭圆形,长短轴尺寸为86m×62m,馆内大厅净高15m,总建筑面积8780m2,屋面面积约4547m2(图6-6-1)。屋盖采用预应力钢析网组合结构体系,主桁架2/3外露屋面,体现了现代结构技术与建筑艺术有机结合的风格。
屋盖结构体系选型
根据建筑环境特点,为配合建筑造型的需要,经多因素综合分析比较,选用“桁-网架"组合结构体系屋盖方案,将屋盖平面沿长轴方向用2榀桁架分成约三等分,并用宽6m,,,(图6-6-2)。由于铰支大跨桁架跨中杆件内力较大,为改善桁架杆件受力分布不合理性和增强桁架刚度,结合建筑造型,,并在桁架两端每角点各斜拉1道预应力筋束,即桁架体外施加预应力(图6-6-3)。根据不同施工荷载阶段分阶段外张预应力,以抵抗桁架各荷载状态下产生的部分挠度,改善桁架受力性能,充分利用各杆件钢管钢材的强度。在桁架下弦节点之间和外围柱顶间,,平板片式网架最大跨度24m。由于桁架的设置,大大减小了屋盖网架的有效跨度,为大面积应用螺栓球节点平板网架提供了方便。采用预应力“桁-网架”组合结构体系,在结构上发挥了主次结构受力特点;桁架2/3高度外露屋面,降低了建筑物高度,满足了规划要求,协调了建筑环境,并可减小建筑体积,节省能耗,为声学处理带来方便。
屋盖体系构造
预应力“桁-网架”组合结构屋盖设计,关键在预应力空间三角形钢管桁架;桁架的关键是体外预应力能否在桁架各杆件中有效建立;而预应力有效建立的关键又是桁架支座的性能。设计中指架支座采用双面弧形压力支座,其作法是在支座板和柱顶间设l块上下均为弧形的铸钢块,在铸钢块两侧,支座板与柱顶板上分别焊2块梯形钢板,用螺栓将三者连系在一起,这样桁架支座节点即可绕螺栓沿铸钢块上下弧面作一定的转动和移动(图6-6-4)。
桁架设计的另一关键是桁架的节点,计算结果表明,桁架杆件最大拉力约2500kN,最大压力约1600kN,最大管材截面为Ф450×25,按传统空心球节点做法,,而目前国内空心球模具只能加工800mm球。另据统计,节点所用钢材一般占总耗钢量的20%~35%。取消空心球节点,采用钢管直接焊接节点,即相贯连接节点,是本次桁架设计的一大突破。对于钢管相贯节点的设计计算,现行《钢结构设计规范》(GBJ17一88)只有平面相贯节点的强度计算,对于空间节点尚无完备资料。进行空间相贯节点的试验,无论在技术上、经费上、时间上都有一定难度。为保证桁架相贯节点设计安全可靠,将空间受力分解为平面受力
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,参照平面相贯节点的强度计算,并适当增加相贯节点强度设计的安全储备,对受力较大的重要节点的主管采取了加强措施(图6-6-5)。
原设计考虑将平板网架悬挂在桁架下弦,后从美国肯萨斯州体育馆屋面倒塌事例中了解到拉力支座采用高强螺栓抗疲劳性能差,为此,本次设计将平板网架拉力支座改为压力支座。由于网架一端搁置于桁架下弦节点上,另一端搁置在外围钢筋混凝土圆柱上,受荷后将架跨中各点挠度不一,平板网架必然产生次生内力,使设计、计算分析复杂化,故采用平板片式网架,铰支桁架下弦