上海世博会主题馆结构设计与施工方面的思考（二）

　　2)湖北建筑工程培训学校，双向张弦桁架方案，如图7所示。考虑到西侧展厅平面投影为144m×180m的矩形，长宽比为1∶0.8，故希望采用双向传力的方式提高屋面竖向刚度，减小跨中的竖向位移。通过与建筑师协调，在西侧展厅中部沿180m方向增加纵向张弦桁架。

　　3)巨型框架方案，如图8所示。沿屋盖126m跨度方向，中间间隔18m布置一道巨型框架，框架梁高8m，矢跨比为1∶15.7，采用人字形腹杆布置方式;两侧框架格构柱截面高度结合西侧展厅两侧辅助用房取9m，格构柱腹杆采用交叉斜杆式布置，以有效传递水平剪力;为进一步提高巨型框架的竖向刚度，在梁、柱相交处设置斜撑。

　　表1屋盖结构方案比较

　　3种结构方案性能比较如表1所示。从结构效率来看，巨型框架结构高度小，竖向刚度大，效率最高;而双向张弦桁架方案与该方案设计初衷相反，纵向张弦桁架不仅没有帮忙，反而成为“累赘”，结构效率很低，结构用钢量较单向张弦桁架方案大大增加。产生上述现象的原因主要是，在巨型框架结构方案中，梁线刚度远远小于柱线刚度，因此本结构中巨型框架梁相当于两端固结梁，故结构竖向刚度很好;而双向张弦桁架方案中，纵向张弦桁架方案跨度达到了180m，而结构的高度仅能做到11.5m，矢跨比为1∶15.6，纵向张弦桁架自身的竖向刚度已经不足以满足变形要求，反而成了屋盖结构的“累赘”。

　　从对下部结构影响来看，湖北建筑工程培训学校，张弦桁架方案在竖向荷载作用下为自平衡体系，可以释放屋盖结构对下部结构的推力，降低下部支承结构设计难度;巨型框架方案柱底反力在最不利荷载工况下达到1 940kN，上部结构对基础的推力是较难处理的问题。

　　从对建筑效果的影响来看，张弦桁架方案中，通过运用纤细的拉索，经两道撑杆架起126m跨度立体桁架，整个屋盖刚柔并济，室内建筑效果较好，且考虑到张弦桁架下部拉索中部拉平将最大限度地减少使用人群的视觉阻碍，将有利于主题馆西侧展厅世博会后多功能使用要求;巨型框架方案中格构柱的交叉腹杆对建筑辅助用房使用功能有较大影响，结构布置与建筑功能冲突较多，建筑空间利用率低，因此否定了该方案。

　　基于上述分析与比较，西侧展厅屋盖结构采用单向张弦桁架结构体系既能满足结构性能要求，又能实现建筑形态和结构造型的协调统一。

　　2.1.2屋盖结构布置

　　在确定西侧展厅屋盖张弦桁架结构体系后，从屋面形态特点、结构效率以及东、西侧屋面结构的延续性等方面考虑，将西侧展厅张弦桁架中上弦正三角形立体桁架向东侧屋面延伸，从而形成了长度为270m的四跨连续张弦梁(见图4a)。屋面檩条及支撑的平面布置如图9所示。在相邻的两榀桁架之间，布置间距为3m的方钢管檩条作为屋面围护结构的支承结构，檩条一端支承在三管桁架的上弦，另一端支承在三管桁架的下弦，自然地实现了屋面的波浪造型(见图4b)。除中庭屋面，在檩条平面内满堂布置刚性交叉支撑，中庭部分屋面支撑采用钢拉杆。

　　建筑A,W轴的外侧南北挑檐外挑约18.9m，结构的悬挑跨度大，而屋盖的主桁架沿东西向布置，挑檐悬挑方向与主桁架垂直，无法利用主结构外伸进行悬挑。结合建筑的立面设计，在南北立面距A,W轴16.2m处设置2排人字柱作为挑檐悬挑端的支承结构，人字柱间距为36m。与人字柱的布置对应，沿东西向每隔36m设置一榀悬挑主桁架，根部上、下弦分别支承在边桁架上弦和框架柱头上，悬挑端支承在人字柱上。沿东西向在人字柱柱头以及悬挑主桁架跨中设置2榀连续桁架作为挑檐次结构的支承结构。在悬挑主桁架之间，平行于悬挑主桁架每隔3m布置一榀平面桁架梁作为挑檐次结构(见图10)，其根部支承在A,W轴边桁架，外端支承在连续桁架上。

　　2.2柱间支撑体系设计

　　由于建筑功能的需要，主题馆为错层结构，西侧展厅为单层无柱超大空间，东侧展厅及中庭为两层空间，且局部存在夹层，整个结构东西两侧的刚度、质量不协调;同时，为了满足室内空间使用效果以及屋面结构的整体性，主题馆主体钢框架结构不设缝，这就造成了在水平地震作用下，整个框架结构不可避免地发生较大的扭转变形。其次，超长结构温度效应问题较突出。主题馆东西向长度达到了288m，超出了规范限定的150m限值，温度应力的影响不容忽视。基于上述考虑，本结构支撑的设计原则为:①在合理的位置布置柱间支撑，在提高抗侧刚度的同时能有效提高结构的抗扭刚度;②柱间支撑的设置位置和形式选择，应避免出现温度应力过度集中;③支撑的设置位置要与建筑功能布局相协调。

　　上述刚性支撑方案有效地提高了结构刚度，减小了地震作用下的水平和扭转变形，但同时也存在以下问题:①设置钢支撑体系后，东西向层剪力比纯框架增大约25%，南北向层剪力比纯框架增大约30%;②结构的温度效应明显增加。由于南北向支撑均布置在框架端部，支撑间距达到了136m，由温度作用引起与支撑连接的框架柱的轴力，由纯框架的120kN增加至2 600kN，而框架梁的内力也增加了50%，结构的温度内力导致相关构件和柱脚设计困难。

点击湖北建筑工程培训学校，了解更多建筑工程知识