鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)論文
中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：本文秉承“復雜問題簡單化”的設計理念，結(jié)合“復雜建筑簡單結(jié)構(gòu)，復雜結(jié)構(gòu)簡單加工”的工程實例，簡要介紹了三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)的概念設計。最后指出了案例體會以及這類結(jié)構(gòu)體系的探討研究方向。
關鍵詞：三鉸剛架 交叉結(jié)構(gòu) 屋脊落差鉸 平面鉸 彎扭 焊接節(jié)點
1. 工程概況
深圳市體育中心游泳訓練館（圖1、圖2）屬于市中心高標準場館，設有一個室內(nèi)標準泳池，平時高階訓練用，賽時與相鄰的原有游泳跳水館配套使用。
圖1 深圳游泳訓練館效果圖
圖2 深圳游泳訓練館照片
該館由池廳單層空曠建筑及端部輔房三層建筑組成，建筑面積5,000m2。池廳為矩形平面（圖3），長60m，柱距10m，跨度31.2m，檐高7.6m和8.4m，脊高12.9m，屋脊處有落差2.3 m（圖4）。
該館建筑造型別致，池廳空間結(jié)構(gòu)裸露，宛如泳將組團，束腰并腳，躬背伸臂，或者拉手列姿（圖1、圖6），抑或反身躍池（圖2）。
池廳采用帶有屋脊落差的三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)（圖6），輔房采用框架鋼結(jié)構(gòu)?？傆娩摿考s400t，單位用鋼約80kg/m2。
該館2006年設計，在2011深圳世界大學生運動會新建場館項目中，首個建成，于2009年投入使用，榮獲“中國鋼結(jié)構(gòu)金獎（國家優(yōu)質(zhì)工程）”，成為該獎項設立以來“最小”規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)。
2. 結(jié)構(gòu)設計
2.1 結(jié)構(gòu)體系與傳力路線
本工程建筑效果要求采用三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)（圖1）。除兩個端榀可以正放布置外，所有相鄰中榀斜放斜交（圖3），三次交叉，且屋脊落差（圖4）。
將平面門式剛架交叉，形成門式剛架交叉結(jié)構(gòu)，很容易理解。但將三鉸剛架交叉后，又在跨中鉸處形成屋脊落差，使得三鉸剛架有些抽象，其結(jié)構(gòu)可行性在競標之初受到質(zhì)疑是正常的。
建筑同時要求不設置縱向柱間支撐，又遭質(zhì)疑，主要在于縱向傳力路線打破了常規(guī)。實際上，這種結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性良好，縱橫空間傳力路線順暢。對此，有三種設計理念。
理念一，由于剛架梁交叉，梁柱剛接，加上屋面縱向系桿，屋蓋不僅是一個穩(wěn)定體系，交叉剛架的雙向 “剛接”性，也就是說，屋蓋交叉梁在縱向形成了抽象的縱向鋼梁，與縱向列柱“剛接”，實際形成了連續(xù)多跨縱向承重框架體系。
理念二，縱向荷載，通過斜放剛架斜向直接傳力，即空間傳力。既然縱橫，任何方向的水平力均可傳遞。“空間結(jié)構(gòu)”體系成立，不必再執(zhí)意按縱橫平面承重體系去理解。
理念三，盡管如此，柱頂增設縱向貫通連梁，與剛架柱剛接，使得縱向剛度加強，結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性增強，且縱向傳力更為直接?？v向可以理解為“縱向連續(xù)多跨固支單層框架”。
2.2 技術(shù)難點與設計目標
本工程三鉸門式剛架，除屋脊跨中鉸落差外，門式剛架兩兩交叉，剛架梁兩端及跨中共三次交叉，兩端交叉后自剛架節(jié)點起雙柱匯交至一個柱腳，造成三鉸剛架空間彎扭，使設計和加工，尤其是加工難度更大。
因此，“無柱間支撐、彎扭型、跨中鉸落差”三方面的特點，使得三鉸平面剛架交叉結(jié)構(gòu)比較復雜。
本工程結(jié)構(gòu)設計理念的最高境界，則是采用最簡單的平面剛架交叉（圖3），焊接節(jié)點，平面鉸，組成三鉸門式剛架（圖4）交叉結(jié)構(gòu)。
參考深圳會展中心的兩鉸門式剛架，些許突破，實現(xiàn)新穎別致的建筑造型。設計突破點在于“剛架交叉”、“屋脊落差鉸”、“無柱間支撐”，經(jīng)濟性體現(xiàn)在采用“簡約式平面鉸”及“焊接節(jié)點”，規(guī)避了“鑄鋼節(jié)點”和“球鉸”。對于類似于鳥巢的彎扭焊接節(jié)點的加工難點，密切配合建造商，優(yōu)化深化設計，實現(xiàn)突破：“一次下料一次彎扭成形組裝焊接”。
圖3 交叉剛架結(jié)構(gòu)平面圖 圖4 屋脊落差鉸門式剛架圖
2.2 剛架交叉與屋脊落差平面鉸
本工程三鉸門式平面剛架雖然斜放交叉，組成了空間結(jié)構(gòu)，但可以虛構(gòu)理解為類似于“合并排架[1]”的各榀正放“合并剛架”平面結(jié)構(gòu)，滿足平面鉸的基本“受力”條件。
一跨中鉸為界，將剛架分為兩個半跨的兩側(cè)。設計利用兩榀斜放剛架梁的同側(cè)交匯，在水平面內(nèi)相應合并為兩個同位正放節(jié)點“板”，同處一個重力落差鉛垂面，滿足平面鉸的基本“構(gòu)造”條件。
設計又應用“剛域”概念，將上位正放節(jié)點板設計為三角剛架“剛域板”，實現(xiàn)屋脊落差鉸（圖5)，消除了結(jié)構(gòu)可行性的疑惑。
設計還巧妙的將箱形截面下位節(jié)點“板”的兩塊腹板作為平面鉸的下夾板，使整寬箱形截面上位節(jié)點“剛域板”作為上插板，直插銷接，避免了通常的縮寬轉(zhuǎn)換，使得傳力更為直接，加工安裝更為簡便。
圖6 深圳市體育中心游泳訓練館 屋脊落差鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖
圖7 深圳市體育中心游泳訓練館束腰并腳雙柱
2.3 合并柱與平面鉸支座
設計按照建筑效果要求，相鄰兩榀剛架斜放交叉。
兩榀上位半跨變截面梁在端部“交匯”，合并下彎為變截面柱。對此合并柱，設計采用矩形箱型截面，本想方便加工，但由于剛架節(jié)點圓潤美觀要求，實際上又派生了剛架梁柱翼緣的彎扭，設計與建造商配合，改為梯形箱形截面，雖然截面較為復雜，但規(guī)避了彎扭難度，截面形狀和梁柱節(jié)點也同為美觀。
兩榀下位半跨變截面梁在端部“交叉”，分別通過剛架節(jié)點向下彎扭成雙柱，以小角度相向交匯于同一柱腳，形成變截面“束腰并腳雙柱”（圖7）。
設計將合并柱腳正放，滿足橫向平面鉸支座的基本條件。支座鉸同樣采用跨中鉸的箱形截面構(gòu)造。設計時，采取一定的措施，按照縱向固定支座構(gòu)造，符合設計分析計算假定條件，保證縱向框架柱腳剪力彎矩傳遞便捷可靠。
a下位半跨 b 上位半跨及跨中
圖8 深圳市體育中心游泳訓練館屋脊落差鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)
2.4 梁柱截面
設計采用鋼材Q345B。梁柱均為500mm寬箱形截面。上位半跨梁截面高500—1200mm，下位500—1784mm。單柱截面高500—1200mm，雙柱500—1724mm。三鉸銷軸均為d150mm。
2.5 工程類比與簡化設計
“鳥巢”其實是桁架交叉編織結(jié)構(gòu)，由建筑師模仿自然界創(chuàng)作，結(jié)構(gòu)越亂越自然，越符合建筑設計理念。結(jié)構(gòu)設計師從雜亂無序中找出規(guī)律，由24榀桁架沿平面橢圓線放射形陣列交叉布置[2 ]，編織成“鳥巢結(jié)構(gòu)”，實現(xiàn)了突破性的簡化。在追求鳥巢自然效果的同時，又要馬鞍形體育建筑造型，致使桁架式剛架節(jié)點不在一個水平面，而沿馬鞍形空間曲線分布。不僅使鄰榀桁架不等高，而且每榀桁架本身并非鉛垂平面桁架，而是通過立體桁架外柱節(jié)點彎扭形成的彎扭形桁架族不等高的空間編織結(jié)構(gòu)?？蓺w納稱之“彎扭桁架輪轂交叉式馬鞍面編織結(jié)構(gòu)”。
深圳市體育中心游泳訓練館取鳥巢交叉剛架之精華，編織結(jié)構(gòu)的極端化，編織點數(shù)最少。設計將剛架沿平面矩形長邊斜向陣列交叉布置（圖3），形成簡約的“帶有屋脊落差鉸的等高彎扭剛架交叉結(jié)構(gòu)”。本工程秉承“復雜問題簡單化”的設計理念，實現(xiàn)“復雜建筑簡單結(jié)構(gòu)，復雜結(jié)構(gòu)簡單加工”，整個工程無一鑄鋼節(jié)點，全部采用焊接工藝實現(xiàn)獨特的經(jīng)典建筑造型。
3. 小結(jié)
深圳市體育中心游泳訓練館建成使用兩年多來，除重力荷載外，經(jīng)歷了多次沿海臺風侵襲和氣溫變化的考驗，其設計、加工、安裝的工程實踐體會表明：
1) 帶有屋脊落差的三鉸門式剛架是成立的。
2) 矩形平面布置等柱距彎扭剛架空間交叉結(jié)構(gòu)，采用平面鉸是可行的。
3) 彎扭剛架空間交叉結(jié)構(gòu)，無需柱間支撐（圖6、圖2），在一定的支座構(gòu)造技術(shù)措施保證下，縱向是幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。
4) “復雜建筑簡單結(jié)構(gòu)，復雜結(jié)構(gòu)簡單加工”之設計理念的經(jīng)濟與社會效益顯著，宜弘揚秉承。
5) 本文案例矩形平面布置等柱距彎扭剛架交叉結(jié)構(gòu)的設計計算分析結(jié)果，具有一定實用參考價值，需要系統(tǒng)總結(jié)與探討研究。
6) 無柱間支撐的剛架交叉結(jié)構(gòu)體系，屬于空間結(jié)構(gòu)體系，簡潔美觀，深受建筑師推崇和社會鑒賞，具有推廣應用價值。建議建立這類結(jié)構(gòu)體系的系列概念、分類、力學分析、桿件選型、節(jié)點構(gòu)造、加工、安裝等課題，深入研究。
參考文獻
[1] 天津大學 同濟大學 南京工學院 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（下冊，p94） 中國建筑工業(yè)出版社 1980年12月
[2] 范重等 國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計[J] 中國大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設計與施工 中國建筑工業(yè)出版社 2007
[3] 周永明,蔣良君,廖功華等. 國家體育場大型空間箱形截面扭曲構(gòu)件的加工技術(shù)[J] 中國大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設計與施工 中國建筑工業(yè)出版社 2007
[4] 虎秉銀 郭滿良等 交叉彎扭剛架的深化設計與加工 深圳土木建筑 2011.09
作者簡介
郭滿良，深圳大運中心建筑方案國際征集競賽代理主持人、結(jié)構(gòu)專業(yè)負責人、第一階段技術(shù)方案評審結(jié)構(gòu)專家，體育場結(jié)構(gòu)設計專業(yè)負責人，大運中心建筑結(jié)構(gòu)研究課題組負責人，大運中心鋼結(jié)構(gòu)加工安裝競標技術(shù)評審專家，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會專家委員會專家，中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會專家委員會專家，結(jié)構(gòu)工程師學會資深會員（英國），深圳市建筑設計研究總院副總工程師、深圳大運中心體育場結(jié)構(gòu)專業(yè)負責人、華優(yōu)建筑設計顧問部負責人
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