10 第四章 哈尔滨国际会展体育中心.pptx

第1页：哈尔滨国际会议展览体育中心

哈尔滨国际会议展览体育中心

• 大跨钢结构设计

第2页：一、工程概况

一、工程概况

• 总建筑面积44万m，是集会议、展览和体育功能于一体的综合型公共设施

第3页：黑龙江省国际会议展览体育中心等

黑龙江省国际会议展览体育中心等

• 央主馆会议中心5万人体育场

第4页：中央主馆等

中央主馆等

• 观展览大厅、训练馆、万人体育馆相连成一体

第5页：主馆结构平面总布置图

主馆结构平面总布置图

• 总长度为618m宽为128m（主跨大厅）+20m（附属玻璃长廊）
• 中部由相同的榀128m跨的张弦桁架覆盖，桁架间距为15m

第6页：展览大厅结构布置

展览大厅结构布置

• 图5道纵向刚性支撑沿周边布置的平面交叉支撑组成支撑系统
• 二、主要结构形式介绍

第7页：结构透视图

结构透视图

本页以图片形式呈现，承接上一页「展览大厅结构布置」相关内容。

第8页：人字形摇摆柱张弦桁架混凝土刚性柱支承

人字形摇摆柱张弦桁架混凝土刚性柱支承

• 下弦拉索

第9页：张弦桁架结构简图

张弦桁架结构简图

• 前端的人字形摇摆柱和后端的刚性柱支承
• 人字柱既可以传递竖向力，又提供足够强大的纵向刚度
• 玻璃幕墙的支撑桁架（抗风柱）上端与张弦桁架连接在一起，仅传递水平向力，竖直向不传力

第10页：展览大厅内景

展览大厅内景

本页以图片形式呈现，展示建成后的室内外空间效果。

第11页：人字形柱

人字形柱

本页以图片形式呈现，承接上一页「展览大厅内景」相关内容。

第12页：展览大厅内景

展览大厅内景

本页以图片形式呈现，展示建成后的室内外空间效果。

第13页：展览大厅内景

展览大厅内景

本页以图片形式呈现，展示建成后的室内外空间效果。

第14页：上弦杆件

上弦杆件

0×24下弦杆件

480×12480×24桁架弦杆与腹杆间为相贯焊接连接材质为345

张弦桁架拉索

4397拉索为高强度低松弛镀锌钢丝束，抗拉强度为1570拉索锚具采用钢。构件截面及材质

第15页：桁架构造特点

桁架构造特点

• 拉索锚固端节点设置在桁架的形心处，使得拉索中的拉力由相交与一点的5根桁架腹杆直接传递到桁架弦杆上，传力路径直接，简化了拉索锚固端节点的构造
• 拉索撑杆与拉索垂直，便于撑杆位置的稳定，也较大地减少拉索在撑杆间的预应力损失
• 为了方便现场施工，张弦桁架与摇摆柱，桁架与纵向支撑间的连接大量采用了销栓式连接
• 张弦桁架中的一些受力复杂的关键节点采用铸钢件，节点处避免产生了的复杂焊接温度应力

第16页：张弦桁架部分节点构造

张弦桁架部分节点构造

本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。

第17页：部分铸钢节点

部分铸钢节点

本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。

第18页：部分节点细部

部分节点细部

本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。

第19页：部分节点细部

部分节点细部

本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。

第20页：三、结构分析与设计荷载

三、结构分析与设计荷载

基本雪压

0.5m2雪荷分布系数（考虑积雪效应）：1.6

基本风压

0.65m2风振系数：1.2体型系数分区

• 基本参数

第21页：确定初始预张力

确定初始预张力

• 由于结构形式的特点，初始预张力对张弦桁架的内力和初始变形影响较大
• 综合考虑以下因素确定初始预张力应
• 在各可能工况下，索应保持拉力，且不超过规定的应力比
• 过小的预张力使索不能拉直
• 过大的预张力使索张拉施工不便
• 不应产生过大的反拱值。经过方案分析比较后，最终确定初始预张力为177t

第22页：荷载工况

荷载工况

• 恒活左正温恒活右正温恒活左负温恒活右负温恒吸恒活恒活正温

第23页：工况六（恒活）

工况六（恒活）

• 内力及位移

第24页：前五阶振型周期

前五阶振型周期

• 2.3.4.5.1.553231.440981.394950.650410.62403振型与周期

第25页：第一阶振型

第一阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「前五阶振型周期」相关内容。

第26页：第二阶振型

第二阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第一阶振型」相关内容。

第27页：第三阶振型

第三阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第二阶振型」相关内容。

第28页：第四阶振型

第四阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第三阶振型」相关内容。

第29页：第五阶振型

第五阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第四阶振型」相关内容。

第30页：分析结果

分析结果

• 桁架中最大受压杆件为接近两端支座的下弦杆，压应力值为199，最大受拉杆件为拉索锚固节点连接的斜腹杆，拉应力值为226。桁架上下弦杆的受力较均匀
• 拉索中的最大拉应力为601，最大应力比为0.38，拉索的材料强度已充分利用
• 桁架跨中最大初始反拱值为98.8mm，最大水平位移为240.8mm，结构柱顶水平侧移比值为1/124
• 桁架最大挠度在桁架跨中节点，为519.2mm，挠跨比为1/246

第31页：可以看出结构水平及竖向刚度均偏柔

可以看出结构水平及竖向刚度均偏柔

• 结构截面选择是由刚度控制的水平侧移及竖向挠度均稍有超出规范限值
• 在无风荷作用时结构不利，风荷向上较大的吸力抵抗部分竖向恒荷和活荷，对结构是有利的
• 温度作用对结构竖向挠度影响不大，对水平侧移有影响，正温不利，负温有利，由于前端摇摆柱起的作用，温度作用对构件内力影响很小
• 幕墙支撑桁架与张弦桁架的连接措施，大大减小了主体结构传递过来的水平推力

第32页：时程响应分析结果表明：地震作用

时程响应分析结果表明：地震作用

• 对结构设计不起控制作用
• 张弦桁架折合重量：67kgm

第33页：四、施工过程控制施工阶段划分

四、施工过程控制施工阶段划分

• 在胎架上进行桁架整体拼装
• 开始张拉钢索，使桁架脱模、反拱，并达到初始预张力
• 安装屋面檩条及支撑系统
• 桁架安装就位
• 玻璃幕墙的支撑桁架（抗风柱）上端与张弦桁架连接固定盛结构分析时，按照以上典型施工阶段分别进行分析

第34页：预应力施加及内力监控

预应力施加及内力监控

• 确保索中施加的预应力值与设计值一致在各施工阶段要对一些受力较大杆件的内力，控制点的节点位移，索中的拉力值进行监控。桁架位移控制点的分布图设置水平、和竖直位移传感器

第35页：在关键部位杆件中粘贴应变片监控杆

在关键部位杆件中粘贴应变片监控杆

• 件轴应力及弯矩引起的次应力；在拉索张拉端设置压力传感器监测索的拉力值，同时要监测索的拔出量
• 监控时要对结构内力与节点位移进行双控只有这些监测结果与设计值接近，才可以进行下一阶段的施工

第36页：桁架施加预应力的整体稳定验算

桁架施加预应力的整体稳定验算

• 张弦桁架在实际使用中，平面外有很强的支撑系统，可以保证其整体稳定性
• 对桁架施加预应力和桁架单榀吊装时，这些支撑都是不存在的这时需要对张弦桁架的稳定性进行校核利用ANYSY软件的功能对张弦桁架的进行了弹性屈曲分析。在保证结构自重不变的情况下，加大索的预拉力。张弦桁架到第
• 一、二屈曲模态时索的拉力分别为1310t和1346t，而索实际初张拉设计值为177t

第37页：施加预应力张弦桁架第一曲屈模态图

施加预应力张弦桁架第一曲屈模态图

• =1310t

第38页：施加预应力张弦桁架第一曲屈模态图

施加预应力张弦桁架第一曲屈模态图

• =1346t

第39页：施工现场

施工现场

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第40页：施工现场

施工现场

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第41页：施工现场

施工现场

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第42页：施工现场

施工现场

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第43页：施工现场

施工现场

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第44页：五、索支承玻璃幕墙等

五、索支承玻璃幕墙等

• 厅前端玻璃幕墙

第45页：两端山墙玻璃幕墙

两端山墙玻璃幕墙

本页以图片形式呈现，展示该工程的大跨屋盖结构形式与建成效果。

第46页：玻璃连廊

玻璃连廊

本页以图片形式呈现，展示结构形式与构件组成。

第47页：单层索支承玻璃幕墙

单层索支承玻璃幕墙

本页以图片形式呈现，展示该工程的大跨屋盖结构形式与建成效果。

第48页：单索幕墙细部节点

单索幕墙细部节点

本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。

第49页：六、总结

六、总结

• 对于大跨度及超大跨度结构，尽可能采用一些专用连接构造，使得实际结构与分析模型接近，并且使得结构传力路线简洁、明确
• 大跨度结构的设计往往由结构刚度控制，对于大跨度结构的刚度在设计时应格外关注
• 和本文类似的预应力钢结构，初始预张力对结构最终位置有较大影响，但对结构刚度影响不大，应合理确定初始预张力及结构的反拱值
• 玻璃幕墙结构应用越来越广泛，应在设计主体结构时充分考虑幕墙的支撑系统，两者整体分析是比较合理的

第50页：黑龙江省国际会议展览体育中心等

黑龙江省国际会议展览体育中心等

• 育场大跨钢结构设计

第51页：建筑专业提出的要求

建筑专业提出的要求

• 看台结构出挑大，罩蓬的支承结构要完全独立于看台结构
• 建筑效果要求，罩蓬支承点越少越好
• 罩蓬结构构外观曲面平滑流畅，具有较强个性，结构构件布置简洁明了

第52页：体育场罩蓬结构模型

体育场罩蓬结构模型

• 长度为247.5m，最大宽度64.2m，每片罩蓬面积约15000m2
• 前端变截面抛物线格构式拱后端变截面空间曲梁+12道巨型网格空间桁架
• 一、结构方案概况

第53页：安装好的挑蓬结构

安装好的挑蓬结构

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第54页：体育场罩蓬结构平面图

体育场罩蓬结构平面图

• 屋面荷载通过横向桁架传递到前端拱和后端曲梁上，拱与曲梁在拱脚处相交于一点，两者的合力传递给有拱脚，曲梁还通过跨中的4个支座（水平可滑移）支承

第55页：体育场罩蓬结构侧立面图

体育场罩蓬结构侧立面图

• 前拱为的两铰拱，跨度247.5m，矢高48.4m，矢跨比接近1/5该拱倾斜65度放置，拱截面为菱形截面，拱中部截面高为12m宽为7.2m
• 空间曲梁截面同样为菱形，中部高为9m，宽为5.4m

第56页：挑蓬结构的侧面照片

挑蓬结构的侧面照片

本页以图片形式呈现，承接上一页「体育场罩蓬结构侧立面图」相关内容。

第57页：主要构件截面图

主要构件截面图

本页以图片形式呈现，承接上一页「挑蓬结构的侧面照片」相关内容。

第58页：横向桁架构造

横向桁架构造

• 特点12道横向桁架，结构形式一样，为三角形截面的空间桁架，桁架跨度随罩蓬的曲线而变化，桁架宽度约7m，罩蓬中间最大跨桁架的高度接近6m，随着跨度的减小，桁架高度跟随拱和曲梁的截面而变小，这与这些桁架的受力特点相吻合由于罩蓬中拱、曲梁和桁架的截面尺寸均较大，相应的各构件的节间划分尺寸也较大，形成了这种统一的巨型网格划分形式，这也是本罩蓬结构的特点之一

第59页：二、结构分析与设计荷载

二、结构分析与设计荷载

第60页：分析软件拓展功能

分析软件拓展功能

• 结构分析时，将罩蓬结构中的前拱、后部曲梁及12道横向桁架整体分析，分析软件采用的是ANSYS5.7
• 为了提高设计效率，为此专门开发了一套较为完善的适用于空间结构设计的ANSYS软件前、后处理模块，拓展了ANSYS软件的设计功能

第61页：荷载工况

荷载工况

• 恒活风（沿负向）正温恒活风（沿负向）负温恒风（沿正向）正温恒风（沿正向）负温恒风（沿向）正温（风荷载按下端开敞考虑）恒风（沿向）负温（风荷载按下端开敞考虑）恒活（半）风（沿负向）正温恒活（半）风（沿负向）负温（考虑半跨悬挂荷载）（考虑半跨悬挂荷载）（考虑半跨悬挂荷载）（考虑半跨悬挂荷载）恒风（沿正向）正温恒风（沿正向）负温恒风（沿正向）正温恒风（沿正向）负温恒活恒活（半）风（沿正向压）正温（考虑半跨悬挂荷载）（风荷载按下端封闭考虑）恒活（半）风（沿正向压）负温（考虑半跨悬挂荷载）（风荷载按下端封闭考虑）

第62页：荷载工况

荷载工况

• 恒活风（沿负向）正温恒活风（沿负向）负温恒风（沿正向）正温恒风（沿正向）负温恒风（沿向）正温（风荷载按下端开敞考虑）恒风（沿向）负温（风荷载按下端开敞考虑）恒活（半）风（沿负向）正温恒活（半）风（沿负向）负温（考虑半跨悬挂荷载）（考虑半跨悬挂荷载）（考虑半跨悬挂荷载）（考虑半跨悬挂荷载）恒风（沿正向）正温恒风（沿正向）负温恒风（沿正向）正温恒风（沿正向）负温恒活恒活（半）风（沿正向压）正温（考虑半跨悬挂荷载）（风荷载按下端封闭考虑）恒活（半）风（沿正向压）负温（考虑半跨悬挂荷载）（风荷载按下端封闭考虑）

第63页：工况一

工况一

• 恒活风（沿负向）正温

第64页：工况二

工况二

• 恒活风（沿负向）负温

第65页：工况七

工况七

• 恒活（半）风（沿负向）正温

第66页：工况八

工况八

• 恒活（半）风（沿负向）负温

第67页：工况八（续）

工况八（续）

• .46HH=49.25HH=49.25（标准值）标准值（标准值）最大拉应力最大压应力工况1/10801/1661/679-25.4229.587.25222-22911/6171/2861/523-44.50-17.259.42222-22221/13071/2001/85721.0024.675.75104-6831/17801/3461/883-15.42-14.255.5884-6741/9361/2461/29029.3320.0017.00130-12451/10591/1921/377-25.92-25.67-13.08177-10161/11851/1751/635-23.1728.087.75220-22371/6361/2691/422-43.17-18.3311.67218-21581/12671/2011/79821.6724.506.17106-7391/17911/3381/857-15.33-14.585.7587-73101/9631/2501/29828.5019.67-16.50131-114111/11361/1901/408-24.17-25.83-12.08172-97121/12821/3841/869-21.4212.835.67186-144131/11401/1971/36324.0825.0013.58160-208141/7321/2831/272-37.50-17.4218.08173-19415表一：体育场屋面在各荷载工况下的应力及位移

第68页：表二：体育场屋面在各荷载

表二：体育场屋面在各荷载

• 工况下的支座反力（设计值）支座支座支座支座支座支座工况13846138461253312533197985277-2702819798527727028113894138941245712457198255277-2568819825527725688249649610001000-5566-53748865-5566-5374-88653544544925925-5539-537410205-5539-5374-102054250-2445173-3455-274-6751925-167667525815299-239798-3530-247-6753265-16496751241611959135011049212384174155277-2507219135527725072712008135491041712309174425277-2373219162527723732885419549967-6106-53749307-5715-5374-93079133467473891-6079-537410647-5688-5374-1064710-161-2523-278-3488-814-6752367-1825675214011-112-2474-354-3563-787-6753707-179867579912831583157946794611991146-1508411991146150841313264139211476744606293-89468535-29366151413754188203875994633293-76068562-293527515

第69页：前五阶振型周期

前五阶振型周期

• 926311.174621.149030.812140.72735振型与周期

第70页：第一阶振型

第一阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「前五阶振型周期」相关内容。

第71页：第二阶振型

第二阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第一阶振型」相关内容。

第72页：第三阶振型

第三阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第二阶振型」相关内容。

第73页：第四阶振型

第四阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第三阶振型」相关内容。

第74页：第五阶振型

第五阶振型

本页以图片形式呈现，承接上一页「第四阶振型」相关内容。

第75页：前部拱的4条纵向弦杆的受力很均匀

前部拱的4条纵向弦杆的受力很均匀

• 选择的截面为610×40
• 后部空间曲梁的上下纵向弦杆受力较大，截面选为610×40
• 其它杆件基本上按满应力的原则自动选择截面
• 桁架弦杆与腹杆间为相贯焊接连接
• 材质为345构件截面及材质

第76页：分析结果

分析结果

• 最大受压杆件为前拱接近拱脚及跨中处的上弦杆，压应力值为229，最大受拉杆件为后部曲梁跨中处的下弦杆，拉应力值为222。前部拱的4条纵向弦杆的受力很均匀
• 最大挠度在前拱中部节点，为44.50cm，挠跨比（为横向挑出长度）=1/160最大横向水平位移为29.58cmH=1/166
• 拱脚支座水平最大推力2703t

第77页：分析结果

分析结果

• 横向风荷对结构对结构响应影响最大，对构件内力及罩蓬整体侧移均起控制作用，对于类似结构，风荷载的设计参数取值需要慎重对待
• 半跨荷载作用的工况是前拱的最不利工况，控制了拱杆件截面的选择，这与拱的工作性能是一致的
• 温度作用对构件内力基本无影响，对结构水平侧移影响也较小，但对竖向挠度影响较大，负温时竖向挠度增加较大，负温工况通常是竖向挠度的控制工况，这是由于本罩蓬结构形状及支座约束条件决定的

第78页：时程响应分析结果表明：地震作用

时程响应分析结果表明：地震作用

• 对结构设计不起控制作用
• 罩棚总用钢量（双片）3438t
• 张弦桁架折合重量：114kgm

第79页：三、方案对比分析

三、方案对比分析

• 结构优化设计目标
• 加强结构整体刚度，以满足规范限值
• 降低拱脚推力，方便基础结构设计
• 减小拱、梁、桁架中构件最大截面
• 获得比较理想的经济指标

第80页：初始方案

初始方案

• 最初的一些方案中，结构支座少，HJ-1的拱矢高很矮，HJ-1、2的截面高度小，初始的方案都由于刚度不够或是选取杆件过大而不合理。初始方案改进探讨
• HJ-1的大矢跨比
• 加大构件高度，采用巨型网格
• 合理布置支座

第81页：方案一：前桁架梁垂直高度为36m

方案一：前桁架梁垂直高度为36m

• 拱脚跨度为247.462m，巨型网格：HJ-1与HJ-2的面内高度均为15m，HJ-3~8构件高度7.5m，后部支座增加到二个结果：刚度加大，用钢量降低，但最大管径需选用1000×

第82页：方案二：几何外形及建筑师的要求

方案二：几何外形及建筑师的要求

• 将构件高度降低：前桁架梁垂直高度变为49.25m拱脚跨度为247.462m，HJ-1与HJ-2面内高度变化为12m，且变截面，HJ-3~8高度为6m。后部支座增加到二个结果：最大管径813×

第83页：方案三：解决HJ-1的力线的偏心

方案三：解决HJ-1的力线的偏心

• 问题：将HJ-1的截面形心线（圆弧）改为抛物线后部支座增加到四个结果：HJ-2截面高度降到9m，最大管径610×

第84页：方案一侧立面图方案二侧立面图方案

方案一侧立面图方案二侧立面图方案

• 三侧立面图

第85页：以下为三种方案的数据列表：（荷载

以下为三种方案的数据列表：（荷载

• 工况为：1恒活风（沿负向）正温）表三：体育场屋面在各荷载工况下的应力、位移及用钢量用钢量HH=247.5HH=49.2HH=49.2标准值标准值标准值最大拉应力设计值最大压应力设计值方案40851/5041/981/379-49.0836.769.5280-234118751/7811/1371/465-31.6735.810.58239-225217191/10801/1661/679-25.4229.587.25222-2293

第86页：表四：体育场屋面在各荷载

表四：体育场屋面在各荷载

• 工况下的支座反力（设计值）支座支座支座支座支座支座方案3596335963379795302-535673797953025356712614126141202435234-3579320243523435793213846138461253312533197985277-27028197985277270283
• 最终实施方案为方案三

第87页：施工中的挑蓬结构

施工中的挑蓬结构

本页以图片形式呈现，展示现场施工安装的主要过程。

第88页：

第89页：四、总结

四、总结

• 对于大跨度空间的设计，结构专业应与建筑专业在方案设计阶段紧密配合，使建筑方案和结构方案在互动中不断改进，只有这两个专业充分融合，才可能产生比较理想的大跨度空间建筑
• 本罩蓬结构中采用的这种巨型网格划分、简洁明确的构件布置形式，对于大跨度空间结构的方案选型提供一种思路
• 拱的轴线形式、矢跨比等关键参数对拱的工作性能产生的影响是十分巨大的，对于该类结构的设计，需要进行多参数的仔细推敲，方可找到其理想的取值

第90页：致谢与结束页

致谢与结束页

本课件结束页，向读者致谢，位于大跨空间设计总结之后。