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超大跨度城市穹顶结构选型的概念设计建议

作者:冯远,向新岸,张恒飞, | 字数:3722 时间:2017-06-27 来源:

  摘要: 随着城市环境变化和现代工程技术发展,建造跨度 1 000 m 级超大型城市穹顶以营造一个特定的区域小环境,逐渐成为现实需求。城市穹顶突破现有结构尺度极限,结构设计面临新的挑战。对城市穹顶的概念进行了探讨,以在寒冷地区建造一座跨度 800 m 城市穹顶为设定工程背景,对采用刚性结构、杂交结构、柔性结构以及组合结构等四大类结构体系共计13 种结构方案进行选型研究。对比分析了结构刚度、稳定承载力和用钢量等指标,总结了跨度 800 m 各种结构方案性能特点,提出了可将 K 型角锥球面网壳、K 型巨型网格结构以及索承网壳-双层网壳组合结构作为优选方案; 并就超大跨度穹顶的建造与设计提出了材料轻质化、设计标准、抗风问题、温度场影响、结构形态学、建造可行性、围护结构、节能环保以及穹顶维护等 9 个方面的相关问题,以供进一步研究作为参考。

  

  关键词: 城市穹顶; 跨度 800 m 网壳结构; 结构选型。

  

  0 引言

在空间结构领域,建造更大跨度的建筑结构一直是结构工程师不懈的追求[1-2].近三十年来,随着新材料、新工艺、新技术、新结构形式的不断涌现,在相对成熟的结构分析理论支撑下,目前世界范围内跨度 150 m 的建筑已为数不少,跨度 300 m 的建筑也有若干成功案例: 1999 年建成的英国伦敦“千年穹顶”,采用塔桅支承的悬索结构体系,上覆轻质膜材,结构平面直径达到 320 m; 1993 年建成的日本福冈穹顶,是当时全球最大跨度网壳结构,也是日本第一座超大型可开合屋盖结构,结构跨度达 222 m,整个结构由 3 片网壳组成,体现了人们对改善结构内部环境的追求。同一时期,我国空间结构发展也取得长足进步,尤其是北京奥运会与上海世博会的成功举办,使得一批结构型式新颖的大跨度现代化体育场馆、会展中心等公共建筑陆续建成,目前我国已具备设计建造跨度达 300 m 量级的空间结构的能力: 2008年建成的国家体育场“鸟巢”,其长轴为 332. 3 m,短轴为 296. 4 m,巨大的箱形截面桁架构成其结构主体; 2004 年建成的重庆奥体中心袁家岗体育场,上部拱桁架跨度达到 312 m.

  

  在自然条件极为恶劣的地区,人们希望通过跨度巨大的空间结构营造适合人类活动的区域小环境; 由于环境污染、气候变化造成的空气污染以及飓风、热浪等极端自然灾害,保护城市居住环境,改善自然环境逐渐成为一种现实需求。日本巴组铁工所对此曾有一段经典论述: 21 世纪是为人类创造舒适、清洁、节能的新型城市的时代,具有现代设备与人工智能的封闭式城市环境,将为人类提供与自然相协调的理想生活环境。由此可见,建造跨度 1 000 m 级城市穹顶,营造宜居节能的区域小环境正逐渐成为对结构工程师的全新挑战。

  

  基于上述背景,可定义城市穹顶为: 以营造特定区域小环境为目标而建造的巨型、封闭式屋盖结构,结构跨度超大,可达到 1 000 m 量级; 其建筑功能不是单体建筑,更注重对区域环境的控制和影响; 更加体现建筑、结构、设备以及环境等多学科专业的集成与融合。

  

  作者以建造在寒冷地区的跨度为 800 m 的穹顶方案为背景,研究其结构方案可行性,对刚性结构、杂交结构、柔性结构以及组合结构等四大类结构体系共计13 种结构方案进行分析,以结构刚度、稳定承载力和用钢量等为指标,确定优选结构方案,总结归纳超大跨度城市穹顶结构选型的概念设计建议,并考虑如何解决超大跨穹顶设计的若干相关问题。

  

  1 国外城市穹顶方案及工程背景

世纪 60 年代以来,欧、美发达国家的学者对超大跨度城市穹顶方案展开研究,先后提出了若干概念性设计方案。

  

  1968 年,美国建筑结构工程师 Fuller 与建筑师Shoji Sadao 合作提出着名的“曼哈顿穹顶计划”( 图1a) ,拟建造直径 3 200 m,高度 1 600 m 的短程线型网壳结构超级城市穹顶,以覆盖东河与哈德森河之间繁华的曼哈顿岛第 21 ~ 64 街区。Fuller 认为由于内部空间巨大,在内部热空气作用下穹顶结构将有漂浮的趋势,可抵消部分结构重力荷载。同时指出,曼哈顿穹顶在营造内部舒适环境的同时,能够减少空调、冬季除雪等庞大开支,如果选择合适的建筑材料,10 年时间节省的开支能够满足穹顶建设的资金要求。

  

  同一时期,德国建筑结构工程师 Frei Otto 提出“北极之城”的超大跨度穹顶方案( 图 1b) ,用直径2 000 m 的充气膜结构覆盖北极部分区域,以改变常驻北极科研工作者的工作环境。充气膜结构自重很轻,如何抵御北极暴风雪侵袭是其最大挑战。北极之城的设想得到了国际上许多同行的响应,迄今方案仍处于探讨中。

  

  

  

  为抵御飓风和热浪袭击,美国工程师提出在休斯敦上空修建一座跨度 1 600 m、高度 450 m 的城市穹顶( 图 1c) ,设计要求能够抵御 5 级飓风。与英国伊甸园工程类似,采用 ETFE 气枕作为围护结构,既减轻结构自重,又满足内部采光需求。2009 年美国探索频道曾推出专题纪录片,介绍休斯敦穹顶方案进展。

  

  2010 年,美 国 索 膜 结 构 设 计 安 装 公 司 Span22Systems 提出适用于超大跨度城市穹顶的 Spantheon结构体系( 图 1d) ,并申请国际专利( Patent 2006/136867) 与美国专利( Patent 7726087) .该体系由若干巨大拱桁架汇交于城市穹顶中心,形成巨大的支承骨架,拱桁架之间大范围区域由轻型张拉索膜结构覆盖。

  

  此外,俄罗斯、日本等国家工程师也对超大跨度城市穹顶提出了展望。俄罗斯某公司 2010 年提出要在西伯利亚一处直径 1 200 m 的废弃矿坑上建造一座可容纳 1 万人的立体城市社区; 日本巴组铁工所曾提出 1 000 m 的城市穹顶蓝图,体现工作、居住、娱乐一体化的未来理想城市。

  

  由上述可见,发达国家已经对 1 000 m 级城市穹顶方案开展研究,我国在该领域尚处空白。我国近年来也出现了对营造区域小环境的探索,例如成都新世纪环球中心[3]

  

  ( 图 2) 是亚洲第一大单体建筑,主体结构平面尺寸约 500 m ×400 m,以“海洋”为主题,改造区域小环境,创造出内陆城市“海景风情岛”的娱乐休闲模式,获得了良好的社会和经济效益,该项目为改造区域小环境建筑的发展提供了借鉴。

  

   

  基于上述已有研究,对拟建在寒冷地区的跨度800 m、矢高 200 m 的超大型穹顶建筑( 图 3) 的封闭式屋盖的结构选型开展研究。

  

    

  2 跨度 800 m 穹顶结构选型

跨度 800 m 穹顶可行性结构方案,包括刚性结构、杂交结构、柔性结构以及组合结构等四类结构体系共计13 种结构方案。研究考察了不同方案结构性能特点,并给出方案可行性建议。图4 为结构选型思路,其中凯威特型简称 K 型。

  

  

  

  2. 1 选型条件

  

  结构方案选型阶段考虑了构件的重力荷载( 质量密度取 7 850 kg/m3) 、节点的重力荷载( 取构件重力荷载的 0. 4 倍) 、附加面恒载 1. 0 kN/m2、活荷载0. 5 kN / m2、温度作用( 结构整体升、降温 30 ℃) 以及风荷载( 有待于专项研究,暂取基本风压 0. 5 kN/m2,风振系数 1. 6,体型系数与风压高度变化系数暂按GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[4]规定取值)等荷载作用,并对上述荷载进行合理组合。

  

  刚性构件材料选用 Q420B 圆钢管,截面设计根据 GB 50017-2003《钢结构设计规范》[5]与 JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》[6]等相关规定控制其应力比与长细比,材料强度设计值需要考虑结构重要性系数1. 1 及圆钢管壁厚的折减,同时考虑构件整体稳定系数影响,应力比控制为 0. 8; 拉索采用抗拉强度为 1 670 MPa 的高强度拉索,拉索最大内力值控制为破断力的 50%.

  

  结构性能评价指标包括强度、刚度、稳定性与经济性。刚度指标指结构在恒荷载与活荷载标准值组合作用下的最大挠度值。稳定性指标指结构稳定承载力系数,包括弹性稳定系数与弹塑性稳定系数,后者兼顾几何非线性与材料非线性,更能反映结构真实受力状态,因此以控制后者为主。经济性指标指构件与节点材料用量,以投影面积用钢量来表征。超大跨度穹顶结构由于内部功能复杂,要求屋盖结构具有良好建筑适应性,如通透性,能够满足内部采光要求等。

  

  2. 2. 1 双层网壳

双层网壳结构兼具杆系结构与薄壳结构的特征,构件以轴向受力为主,力学性能优异,具有较强的跨越能力。为考察双层网壳结构在跨度 800 m 穹顶中的适用性,经网格划分研究,选取构件长度均匀、构造合理的 K 型与短程线型网壳进行研究。对于 K 型网壳结构,考察了 K 型平行弦三向交叉桁架球面网壳( 图5a,简称“交叉桁架方案”) 、K 型角锥球面网壳( 图 5b,简称“球面方案”) 与 K 型角锥悬链面网壳( 图 5c,简称“悬链面方案”) ; 对于短程线型网壳,考察短程线型角锥球面网壳方案( 图 5d,简称“短程线型方案”) 性能。交叉桁架方案由平面桁架代替单层网壳中单根构件获得,结构环向未设置斜腹杆;球面方案是通过三角锥连接结构上下弦杆件,结构上弦杆件布置同单层 K6 型网壳。空间结构是典型的形效结构,倒置悬链面是结构受竖向荷载作用合理的受力形状,弯矩水平较低,结构刚度较大,悬链面方案与球面方案的结构拓扑相同; 短程线型方案网格均匀,造型美观,受力性能好,是另一种常用的空间网格形式。方案选型阶段,上述4 种双层网壳径向分割数均为 40,结构厚度均取为 10 m( 跨度的1 /80) ,均设置下弦固定铰支座,其中,3 种 K 型双层网壳采用 K6 型网格划分。

  

 

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