鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：本文秉承“復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設計理念，結合“復雜建筑簡(jiǎn)單結構，復雜結構簡(jiǎn)單加工”的工程實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了三鉸剛架交叉結構的概念設計。最后指出了案例體會(huì )以及這類(lèi)結構體系的探討研究方向。
關(guān)鍵詞：三鉸剛架 交叉結構 屋脊落差鉸 平面鉸 彎扭 焊接節點(diǎn)
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(chǎng)館，設有一個(gè)室內標準泳池，平時(shí)高階訓練用，賽時(shí)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(cháng)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，池廳空間結構裸露，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構（圖6），輔房采用框架鋼結構?？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(xué)生運動(dòng)會(huì )新建場(chǎng)館項目中，首個(gè)建成，于2009年投入使用，榮獲“中國鋼結構金獎（國家優(yōu)質(zhì)工程）”，成為該獎項設立以來(lái)“最小”規模鋼結構。
2. 結構設計
2.1 結構體系與傳力路線(xiàn)
本工程建筑效果要求采用三鉸剛架交叉結構（圖1）。除兩個(gè)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(mén)式剛架交叉，形成門(mén)式剛架交叉結構，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，其結構可行性在競標之初受到質(zhì)疑是正常的。
建筑同時(shí)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(xiàn)打破了常規。實(shí)際上，這種結構的空間穩定性良好，縱橫空間傳力路線(xiàn)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(gè)穩定體系，交叉剛架的雙向 “剛接”性，也就是說(shuō)，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(shí)際形成了連續多跨縱向承重框架體系。
理念二，縱向荷載，通過(guò)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。“空間結構”體系成立，不必再執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，結構空間穩定性增強，且縱向傳力更為直接?？v向可以理解為“縱向連續多跨固支單層框架”。
2.2 技術(shù)難點(diǎn)與設計目標
本工程三鉸門(mén)式剛架，除屋脊跨中鉸落差外，門(mén)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點(diǎn)起雙柱匯交至一個(gè)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(wú)柱間支撐、彎扭型、跨中鉸落差”三方面的特點(diǎn)，使得三鉸平面剛架交叉結構比較復雜。
本工程結構設計理念的最高境界，則是采用最簡(jiǎn)單的平面剛架交叉（圖3），焊接節點(diǎn)，平面鉸，組成三鉸門(mén)式剛架（圖4）交叉結構。
參考深圳會(huì )展中心的兩鉸門(mén)式剛架，些許突破，實(shí)現新穎別致的建筑造型。設計突破點(diǎn)在于“剛架交叉”、“屋脊落差鉸”、“無(wú)柱間支撐”，經(jīng)濟性體現在采用“簡(jiǎn)約式平面鉸”及“焊接節點(diǎn)”，規避了“鑄鋼節點(diǎn)”和“球鉸”。對于類(lèi)似于鳥(niǎo)巢的彎扭焊接節點(diǎn)的加工難點(diǎn)，密切配合建造商，優(yōu)化深化設計，實(shí)現突破：“一次下料一次彎扭成形組裝焊接”。
圖3 交叉剛架結構平面圖 圖4 屋脊落差鉸門(mén)式剛架圖
2.2 剛架交叉與屋脊落差平面鉸
本工程三鉸門(mén)式平面剛架雖然斜放交叉，組成了空間結構，但可以虛構理解為類(lèi)似于“合并排架[1]”的各榀正放“合并剛架”平面結構，滿(mǎn)足平面鉸的基本“受力”條件。
一跨中鉸為界，將剛架分為兩個(gè)半跨的兩側。設計利用兩榀斜放剛架梁的同側交匯，在水平面內相應合并為兩個(gè)同位正放節點(diǎn)“板”，同處一個(gè)重力落差鉛垂面，滿(mǎn)足平面鉸的基本“構造”條件。
設計又應用“剛域”概念，將上位正放節點(diǎn)板設計為三角剛架“剛域板”，實(shí)現屋脊落差鉸（圖5)，消除了結構可行性的疑惑。
設計還巧妙的將箱形截面下位節點(diǎn)“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點(diǎn)“剛域板”作為上插板，直插銷(xiāo)接，避免了通常的縮寬轉換，使得傳力更為直接，加工安裝更為簡(jiǎn)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構軸側圖
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，但由于剛架節點(diǎn)圓潤美觀(guān)要求，實(shí)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，但規避了彎扭難度，截面形狀和梁柱節點(diǎn)也同為美觀(guān)。
兩榀下位半跨變截面梁在端部“交叉”，分別通過(guò)剛架節點(diǎn)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(mǎn)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造。設計時(shí)，采取一定的措施，按照縱向固定支座構造，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構
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(xiāo)軸均為d150mm。
2.5 工程類(lèi)比與簡(jiǎn)化設計
“鳥(niǎo)巢”其實(shí)是桁架交叉編織結構，由建筑師模仿自然界創(chuàng )作，結構越亂越自然，越符合建筑設計理念。結構設計師從雜亂無(wú)序中找出規律，由24榀桁架沿平面橢圓線(xiàn)放射形陣列交叉布置[2 ]，編織成“鳥(niǎo)巢結構”，實(shí)現了突破性的簡(jiǎn)化。在追求鳥(niǎo)巢自然效果的同時(shí)，又要馬鞍形體育建筑造型，致使桁架式剛架節點(diǎn)不在一個(gè)水平面，而沿馬鞍形空間曲線(xiàn)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(guò)立體桁架外柱節點(diǎn)彎扭形成的彎扭形桁架族不等高的空間編織結構?？蓺w納稱(chēng)之“彎扭桁架輪轂交叉式馬鞍面編織結構”。
深圳市體育中心游泳訓練館取鳥(niǎo)巢交叉剛架之精華，編織結構的極端化，編織點(diǎn)數最少。設計將剛架沿平面矩形長(cháng)邊斜向陣列交叉布置（圖3），形成簡(jiǎn)約的“帶有屋脊落差鉸的等高彎扭剛架交叉結構”。本工程秉承“復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設計理念，實(shí)現“復雜建筑簡(jiǎn)單結構，復雜結構簡(jiǎn)單加工”，整個(gè)工程無(wú)一鑄鋼節點(diǎn)，全部采用焊接工藝實(shí)現獨特的經(jīng)典建筑造型。
3. 小結
深圳市體育中心游泳訓練館建成使用兩年多來(lái)，除重力荷載外，經(jīng)歷了多次沿海臺風(fēng)侵襲和氣溫變化的考驗，其設計、加工、安裝的工程實(shí)踐體會(huì )表明：
1) 帶有屋脊落差的三鉸門(mén)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構，采用平面鉸是可行的。
3) 彎扭剛架空間交叉結構，無(wú)需柱間支撐（圖6、圖2），在一定的支座構造技術(shù)措施保證下，縱向是幾何穩定結構體系。
4) “復雜建筑簡(jiǎn)單結構，復雜結構簡(jiǎn)單加工”之設計理念的經(jīng)濟與社會(huì )效益顯著(zhù)，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構的設計計算分析結果，具有一定實(shí)用參考價(jià)值，需要系統總結與探討研究。
6) 無(wú)柱間支撐的剛架交叉結構體系，屬于空間結構體系，簡(jiǎn)潔美觀(guān)，深受建筑師推崇和社會(huì )鑒賞，具有推廣應用價(jià)值。建議建立這類(lèi)結構體系的系列概念、分類(lèi)、力學(xué)分析、桿件選型、節點(diǎn)構造、加工、安裝等課題，深入研究。
參考文獻
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[4] 虎秉銀 郭滿(mǎn)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(jiǎn)介
郭滿(mǎn)良，深圳大運中心建筑方案國際征集競賽代理主持人、結構專(zhuān)業(yè)負責人、第一階段技術(shù)方案評審結構專(zhuān)家，體育場(chǎng)結構設計專(zhuān)業(yè)負責人，大運中心建筑結構研究課題組負責人，大運中心鋼結構加工安裝競標技術(shù)評審專(zhuān)家，中國鋼結構協(xié)會(huì )專(zhuān)家委員會(huì )專(zhuān)家，中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )專(zhuān)家委員會(huì )專(zhuān)家，結構工程師學(xué)會(huì )資深會(huì )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(chǎng)結構專(zhuān)業(yè)負責人、華優(yōu)建筑設計顧問(wèn)部負責人
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