钢结构案例分析

案例一：美国亚特兰大体育馆（佐治亚穹顶）

索穹顶结构

索穹顶结构是20世纪80年代美国工程师盖格（Geiger）发展和推广富勒（Fuller）张拉整体结构思想后实现的一种新型大跨结构，是一种结构效率极高的张力集成体系或全张力体系。它采用高强钢索作为主要受力构件，配合使用轴心受压杆件，通过施加预应力，巧妙地张拉成穹顶结构。该结构由径向拉索、环索、压杆、内拉环和外压环组成，其平面可建成圆形、椭圆形或其他形状。整个结构除少数几根压杆外都处于张力状态，可充分发挥钢索的强度，这种结构重量极轻，安装方便，经济合理，具有新颖的造型，被成功地应用于一些大跨度和超大跨度的结构。

1992年，美国工程师李维（M.P.Levy）和T.F.Jing对盖格设计的索穹顶结构中索网平面内刚度不足和易失稳的特点进行了改进，将辐射状脊索改为联方型，消除了结构内部存在的机构，并取消起稳定作用的谷索，成功设计了佐治亚穹顶（Georgia Dome）（1992年建成，椭圆形平面，240.79m*192.02m），成为1996年亚特兰大奥运会的主体育馆屋盖，用钢量不到30kg/m2。

佐治亚穹顶体育馆位于亚特兰大的中心地带，1992年作为美国橄榄球联盟亚特兰大大猎鹰队的主场开放。该馆因成为1996年奥运会主体育场馆，是世界上最大的电缆支撑穹顶形体育馆。

佐治亚穹顶，是目前世界上最大的索穹顶结构，双曲抛物面型张拉整体索穹顶结构，由美国工程师列维等设计，是1996年亚特兰大

奥运会主赛馆的屋盖结构，其长轴为240米，短轴为193米，为钻石形状，曾被评为全美最佳设计。整个结构由联方型索网、三根环索、不连续撑杆及中央桁架组成。

佐治亚体育馆的结构是一个空间桁架，其底部弦杆由环形索代替。这个屋顶为240m*193m的椭圆形，是同类索膜结构中世界上最大的。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维膜覆盖。屋面呈钻石状，看上去象水晶一般。

整个屋顶由7.9m宽、1.5m厚的混凝土受压环固定，共52根支柱支撑着700m周长的混凝土受压环，钢焊接件被预埋进受压环内，以提供26个屋顶连接点。为了使屋顶的热膨胀不影响下部结构，受压环座落在“特氟隆”承压垫上。这样，外力作用下承压垫只能径向移动，并可将风力和地震力均匀传向基础。

脊索及底部环索上的连接件均为焊接件。这些接头沟通过钢板与其他杆件连接。飞杆的底部与斜索和环索固定，飞杆的连接件做成铰接件，以使其易于安装并在不均匀承重情况下允许接头旋转。

外景

膜顶施工中俯瞰图

亚特兰大体育馆（佐治亚穹顶）Georgia Dome, Atlanta, Georgia

内景

亚特兰大体育馆（佐治亚穹顶）Georgia Dome, Atlanta, Georgia

Levy体系索穹顶与Geiger体系索穹顶的区别与改进：

对Geiger索穹顶辐射状布置的脊索改为葵花型（三角化型）布置，使屋面单元呈菱形的双曲抛物面形状，另外，中间设置了中央桁架以连接两个半圆，上索网采用了三角形网格以适应非圆形的外形。李维体系与盖格体系的主要区别在于脊索和斜索的布置。盖格体系的脊索、斜索和立柱均在同一平面内，每个节点上仅有一根斜索相连，脊索沿径向布置，斜索、立柱与其相应的脊索构成一竖向平面三角形；李维体系的脊索、斜索和立柱不在同一平面内，而是构成立体桁架。每个立柱顶的节点上有两根斜索与相邻内环立柱底的节点相连，每个节点有四根脊索，脊索网的平面投影维四边形或三角形。

索穹顶结构示意图

The Sketch of “Cable Dome”

经过三角划分的Levy体系索穹顶，虽然增加了结构的复杂性，并使结构对制造和施工误差较为敏感，但由于结构构成立体桁架形式，消除了结构存在的机构，几何稳定性明显提高，从而提高了结构抵抗非均布荷载作用的能力。与Geiger体系索穹顶相比，Levy体系索穹顶上部的薄膜更易于铺设，屋面更易升高，并能更好地解决屋面自由外排水问题。Levy体系索穹顶可适用于多种平面形式，所以说Levy体系索穹顶是一种更具生命力的结构形式。除了已建成的圆形和椭圆形（接近正方形或矩形）外，还可设计成中间大开口的形状。李维体系可用于大跨度屋盖结构。

施工工艺要点及难点：

索穹顶结构的技术要点主要表现在结构计算、节点设计与制作、施工张拉三个方面。索穹顶的施工过程复杂，结构构件受力变化大，结构非线性程度大，同时结构的刚体位移很大。

索穹顶结构与传统结构施工方法不同，有其自己独特的施工方法和施工要求。首先，结构在未施加适当的预应力之前，刚度、稳定性、几何形状以及检点坐标都不能满足设计要求，在施加预应力的过程

中，结构的形状和拓扑是逐步累积形成的，且随着结构各杆件刚度的变化，预应力和形状也在不断的重新分布。其次结构在成形的过程中，结构或部分结构发生大位移、大变形，刚体运动和弹性变形共存，而且相互耦合。除此之外，索是一种高强度、低回弹材料，即使是索下料长度比较小的误差也可能导致结构预应力分布相当大的误差，结构的刚度以及形状都将随之发生显著的改变。

基于上述分析，索穹顶结构施工关键技术主要包含以下四个方面：结构施工偏差及构件尺寸精度控制、结构安装成形方法、预应力张拉次序和方法、施工过程检测控制。

在本工程中，穹顶安装对施工公司来说是个不同寻常的挑战：穹顶采用椭圆形设计，因此要求连续弯曲，弯曲总长度最高可达到250英尺。之前曾多次采用加铝的单芯电力线缆，但采用世德合金铠装电缆还是第一次。世德合金型铠装电缆重量轻、韧性好，是应用于穹顶环形设计的理想材料，且无需花费大量时间进行弯曲便可轻松安装到整个椭圆形体育馆上。长达2万5千多英尺的世德合金电缆环绕半英里长的穹顶一周，上下达27层楼高。

案例二：北京工业大学体育馆（弦支穹顶结构）

弦支穹顶结构

典型的弦支穹顶结构体系由上部单层网壳、下部的竖向撑杆、径向拉杆或者拉索和环向拉索组成，其中各环撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接，撑杆下端由径向拉索与单层网壳的下一环节点连接，同一环的撑杆下端由环向拉索连接在一起，使整个结构形成一个完整的体系，结构的传力路径也比较明确。在正常使用荷载作用下，内力通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上，再通过撑杆传给索，索受力后，产生对支座的反向推力，使整个结构对下端约束环梁的横向推力大大减小。与此同时，由于撑杆的作用，大大减小了上部单层网壳各环节点的竖向位移和变形。

基本信息：

北京工业大学位于北京市朝阳区东南区，毗邻东四环路，交通便利。体育馆位于北京工业大学东南区，总建筑面积约34383平方米，赛时座席约15000个。体育馆已于2007年9月30日竣工。

北京工业大学体育馆平面示意图

北京工业大学体育馆是2008年奥运会羽毛球、艺术体操比赛馆。建筑物平面设计为椭圆形，分为比赛馆和热身馆两部分，该工程总建筑面积为24383m2。体育馆局部地下1层，地上4层；热身馆地上1层，场馆上部屋盖为钢结构体系。±0.000相当于绝对标高35.050m。

北京工业大学体育馆还创造了世界建筑史上的一个记录——世

界上跨度最大的预应力弦支穹顶，最大跨度达93m。

北京工业大学破面示意图

一、设计特点

1、预应力张弦穹顶结构

北京工业大学体育馆上部是一个球冠顶面的单层网壳，由很多钢管组成，下部用钢索撑起来，因为整个场馆的跨度有93米。在羽毛球馆单层网壳下面，使用高强度的钢索进行张拉将网壳支撑住。在体育馆穹顶结构中，连接五道环索的，是编织成渔网般的钢管。而在这编织结构中，有102个万向可伸缩节点。所谓万向可伸缩节点，就是将环索和“渔网”交叉点的“死扣”改成“活扣”。

而“活扣”的作法，就是将固定节点分成两半，顶部固定的部分开凹槽，而底部的一部分则做成半球状，类似于人的关节。两个一套，受力性能更好，对建筑来讲更安全。

2、精密巧妙的挡风设计

北京工业大学体育馆采用了观众席席下送风的空调设计，也就是看台内增设空调送风管道，让凉风从观众的坐椅下面吹出来。每两个座位下面有三个直径各13厘米的送风口，整个体育馆中，这样的送风口共有9100多个。这样将一个出风口“分解”成了9100多个出风口，风速当然就比较小，另外，将出风口设计在观众席下，回风口设计在两层观众席之间，还可以避免涡旋气流的产生，不会对运动员比赛造成影响。

3、绿色环保理念

北京工业大学校园中已经实现了雨水收集利用，而体育馆的人行广场采用彩色透水混凝土，部分灯具采用高效发光二极管照明，体育馆冬季采用地热供暖方式，夏季采用水源热泵系统制冷，这些都能够达到节能环保的效果。

同时，馆内具有完善的废弃物处理系统。在体育馆的两个端头各设置一个垃圾处理间，卡车可以方便到达，便于垃圾的收集和转运。在体育馆的每个卫生间旁边斗设置有清洁设备储藏间和清洁人员休息间，便于清洁人员的工作。

二、施工技术特点

为贯彻三大理念中的“绿色奥运”理念，体育馆对建筑主体加以节能规范化设计，提高维护结构的保温、隔热通风性能，能缩短能源系统的运行时间，减少能耗。具体体现在以下措施：

1、严格控制体育馆各部分的传热系数，非透明屋顶的K值控制在0.7W/(m2·K)以下，透明非透明屋顶和玻璃幕墙的K值控制在

2.0W/(m2·K) 2.0以下。外墙K值控制在0.8W/(m2·K)以下，窗户K值控制在2.5W/(m2·K) 以下。

2、在玻璃幕墙和大面积的窗户上设置可调节式的外遮阳。

3、自然采光，窗地面积比严格控制在规范的要求范围内。

4、由于体育建筑本身的特点，有部分房间难以达到自然采光的要求，本设计对其采用了一些强化和调控措施。

5、自然通风，由于体育馆的功能特点，通风的房间都是单侧自然通风，所以通风房间的进深和层高比控制在2.5以内。

6、本工程形状复杂，弧线众多，无标准间，标高变化大。混凝土结构内边缘由半径46.5m的圆形构成，外缘是由多段圆弧曲线构成的近似椭圆的形状。由于本工程结构形状特殊，曲线众多，使得平面位置控制、钢结构节点三维空间位置控制成为测量放线工作中的难点。

施工图