大跨度空间结构工程实例分析-上海科技馆

人们对于椭球体空间结构设计，首先想到国内相当普及和成熟的大跨 度双层网架或双层网壳结构体系。但是，这种结构体系由于体积庞大， 自重大，防锈维护费用高，空透性差。经计算其空透率达不到40%，显 然不能满足科技城的高科技设计理念，也不能满足椭球体建筑的节能 技术要求。本工程采用高科技含量大的单层铝钛合金薄壳结构体系。

这种薄壳结构体系选用250mm至300mm高的6061-T6铝钛合金工字形梁， 节点形式为板式节点，板平面为圆盘形，用高强度不锈钢锁紧螺栓作固接， 形成一个个三角，拼成椭球体薄壳结构。设计软件对52种不利工况荷载作 用计算，离椭球体原点的最大绝对位移不超过75mm，相邻节点之间垂直 于球体表面最大的位移不超过25mm。与实际变形测量基本相符。按比例 测算，椭球体薄壳结构层比同体积的鸡蛋壳还要薄。使得结构轻巧，空透 性好，艺术观赏性强，具有显著的社会效益和经济效益。


竖向荷载作用下分析
因洞口对结构整体刚度有较大 削弱，选取大门框附近的区域 作为结构强度分析的研究对象 具有代表性，故选取右图示结 构平面图中部位A的部分构件 作为研究对象。


竖向荷载作用下分析
根据所选取的研究对象， 对其节点编号、杆件编号 如图所示。


竖向荷载作用下分析
在竖向荷载作用下，网壳结构的变 形图如右图所示，网壳的相应节点 位移如下表所示。 为研究结构的传力机制，利用有限 元软件进行了三种支承条件下的肋 向、环向杆件的应力分析，并统计 了最大拉(压)应力，这些杆件均在 门洞附近。 表 网壳节点z向位移(cm)


设计中的技术创新和成就 施工过程中采用的新技术

设计中的技术创新和成就有：
(1)科技馆智能化系统(BAS、CAS、OAS等)设臵齐全，设备选型 先进实用。使得科技馆称得上真正名副其实的科技建筑； (2)单层网壳椭圆球体,球体空间巨大，球体结构杆件为铝型材， 设计对网壳进行强度、稳定、抗震等方面的科研分析，在取得成果 的同时用于设计，效果显著； (3)设计和施工采用预应力技术，在混凝土构件中预先建立一定 值的压应力，以抵抗裂缝过多出现和开展，达到大跨度，薄楼板， 高强度，满足了展馆的使用要求； (4)虹吸排水系统，为保证屋面雨水排水系统安全、可靠，同时 不影响建筑的整体造型和美观，设计选用了虹吸排水系统，不但可 迅速排除屋面雨水，而且解决了雨水管与建筑装修的矛盾，节省了 上百根重力流排水管； (5) 空调冰蓄冷技术。


椭球体网壳结构的地作用分析
本工程依据《网壳结构技术规程》采用振型分解反应谱法对结构作常遇 地震下的抗震分析。结构前五阶频率如表所示。
网壳前5阶自振频率(Hz)


椭球体网壳结构的地震作用分析
该网壳的前五阶自振振型如下图所示。
第1阶振型
第2阶振型
第3阶振型
第4阶振型
第5阶振型


椭球体网壳结构的地震作用分析
网壳肋向杆件地震轴力系数(％)



椭球体网壳结构的地震作用分析
该工程椭球体网壳结构地震作用分析结论：科技馆网壳结构的地震动力 效应较明显，有些部位杆件的地震内力达到静荷载作用下内力的60％左 右，可见分析时不可忽略地震作用；三种支承条件相比，在弹性支承条 件下，地震效应均大大减小。 铝网壳结构的地震效应较钢网壳结构动 力效应明显，所以在采用铝网壳结构时，不可因为其质量较轻而忽视地 震效应。

结构变形图
结论：固支支承时的节点位移最小，弹性支承时最大。在 正常工作状态下，网壳结构以薄膜应力为主。


温度作用下分析
当升(降)温幅度为30。C时， 节点三向位移如表所示。
注：最大位移为所有节点中三向位移各自的最大值


温度作用下分析
温度作用分析结论：不同支承方式下，弹性支承的结构变位最大；水 平向的变位大于竖向变位；温度变化引起的结构内力，仍然具有薄膜 内力特征，具体反映在轴力产生的轴应力与轴力、弯矩产生的合轴应 力的比值大于0.6；三种支承方式下，采用弹性支承的结构，应力小于 其他两种支承方式的结构；最大拉、压应力均出现在三个门框附近， 且数值较大，但考虑到不同荷载组合效应不一定大，而且可通过调整 构件截面，或设臵支座边桁架等方法加以解决，故温度应力对结构的 绝对影响并不大。结合竖向荷载作用下的分析来说，竖向荷载是其主 要控制设计荷载。


椭球体网壳结构的稳定校核
1.特征值屈曲分析 结构线性屈曲性能分析的前三阶特征值如下表所示。
上海科技馆椭球体网壳结构前三阶屈曲模态特征值


椭球体网壳结构的稳定校核
2. 非线性屈曲分析 应用ANSYS软件采用一致缺陷模态法对结构进行非线性屈曲分析，取最 大偏差为0.08375m(L/800)的情况作为基本的初始缺陷进行分析。非线性全 过程屈曲分析后，对三种支承条件选择两条曲线，即顶点307、119在达到 临界荷载前的时刻z向位移最大的那个节点的荷载一位移曲线来作为典型 代表(仅给出铰支支承情况)，如图所示。


支承条件
科技馆网壳结构支座条 件见图。安全分析对三 种支承形式下的网壳结 构在不同荷载作用下进 行。根据支承结构的实 际构造，推算弹性支座 的三向刚度。三种支承 形式分别为铰支、固支 和弹性支座。


荷载和作用的确定
本分析计算荷载及作用为：竖向荷载包括lkN〃m-2恒荷载，0.3kN〃m -2 活荷载；温度作用范围为±30℃；地震作用考虑7度设防烈度，Ⅳ类场 地；在南京航天航空大学的NH2低速风洞进行风洞试验，分别模拟均匀 流和大气边界层流两种不同的流场，为设计提供全面依据。
科技馆网壳的自振频率极度密集；网壳采用不同的支承方式时，弹性支 承方式下自振频率最小，最大的为固支支承。 分析前20阶自振振型，不论何种支承方式，结构的振型以水平振型为主。 考虑三维地震动激励，以前20阶振型参与模态组合(SRSS法)。杆件地震 内力系数ξ 可以清楚地反映杆件地震轴力SE的分布及其与静轴力SS的关 系，即有式：ξ=｜SE/SS｜，故对ξ 的分布规律加以表述。结构主要依靠 肋向杆件传递地震力，主要反映在肋向杆件地震轴力系数大于相应环向。 肋向杆件地震轴力系数如下表所示。
网壳平面图 上海科技馆中庭剖面图
网壳三维图

该网壳结构长轴尺寸67m，短轴尺寸51m，高42.2m，椭球体为沿椭圆平面 长轴旋转体，削去下半部分而成。 球体两侧各开有9m宽、16m高的大门 洞，端部有个9m宽、5m高的小门洞。球体下端支座分成两个标高，分别 在首层及地下一层平面，无论在结构形式、跨度尺寸及支承情况都属罕见， 其设计、施工技术要求高、难度大。因此，科技公关小组对大球体设计、 施工中的关键技术问题进行研究。主要研究内容共分三个部分，分别为风 洞试验研究、设计承载力及稳定性分析、节点受力分析。
在铰支支承条件下部分节点荷载-位移曲线图


椭球体网壳结构的稳定校核
2. 非线性屈曲分析 发生失稳破坏时，结构的临界荷载比例系数如下表所示。 稳定性分析结论：在支承条件为铰支或固支时，科技馆网壳结构的失稳形 式为局部失稳，而在弹性支承条件下，则为整体失稳；网壳结构的失稳与 其应变能形式有关，由于刚度的变化，结构由薄膜力为主的应力状态变换 为薄膜力兼有可观的弯曲应力，从而导致结构的失稳。因此，任何导致结 构产生弯曲应力的因素都是降低结构极限承载力的原因，而初始缺陷的存 在都会使结构产生弯曲应力，故初始缺陷不可忽略；因为科技馆网壳的极 限承载力水平都在正常使用状态下荷载水平的14倍以上，但此时杆件已经 进入塑性，因此，如果结构要发生破坏，则强度破坏先于失稳破坏。

施工过程中采用的新技术有：
(1)计算机三维CAD定位技术,在主体结构和屋面、幕墙施工中， 有效控制了施工精度，保证了施工进度和质量。在机电安装综合布 线中，应用计算机三维排布技术，优化绘制布线图，做到机电安装 管线“三统一”，大大提高了安装规范化; (2)新颖网架施工工艺，采用专用小吊具吊装空间网架，不搭设 施工脚手架而完成网架施工，既保证了施工进度和质量，又节约了 成本; (3)在基坑围护中采用深层水泥土搅拌桩重力坝部分结合的支撑 体系，确保了深基坑施工的顺利进行和穿越基地的原水渠的安全; (4)地下室外墙板采用预应力技术的同时外刷柔性防水涂料。在 长达300多米的弧形板墙上，仅发现3条微小的表面裂缝，确保了地 下室无渗漏。


一、工程概况 二、新技术应用与科技创新 三、新颖的椭球体薄壳结构 四、椭球体网壳结构分析

投 资 方：上海市人民政府 开工时间：1998年12月18日 竣工时间：2001年6月 占地面积：68728m2 建筑面积：9.8万m2 总 投 资：17.55亿元人民币 方案设计： RTKL International 图纸设计：上海建筑设计研究院有限公司、TEMCOR 施工单位：上海市第四建筑有限公司 上海科技馆主体建筑平面为半圆环形，以混凝土框架为主，屋顶由空间网架、 钢桁架组成,建筑中部大堂由一巨型椭球体网壳结构覆盖。该工程获2002年度 中国建筑工程鲁班奖、国家科学技术进步奖二等奖、2001年度上海市建筑工 程“白玉兰”奖和上海市科学技术进步奖一等奖。
表 结构临界荷载比例系数






[1] 李亚明，姚念亮. 上海科技馆椭球体单层网壳铝结构支座设计[J]. 现代建筑技术，2001，(3). [2] 李亚明，周晓峰.上海科技馆网壳结构设计及稳定分析[J]. 建筑钢 结构进展，2008，(1). [3]周晓峰，杨联萍，李亚明等.上海科技馆网壳结构分析[J]. 建筑结 构，2003，(1). [4] 蓝天，张毅刚. 大跨度屋盖结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业 出版社， 2001，(2). [5] 董石麟，钱若军．空间网格结构分析理论与计算方法[M]．北京:中 国建筑工业出版社，2000． [6] 沈世钊，陈昕．网壳结构稳定性[M]．北京:科学出版社，1999． [7] 曹资，薛素铎．空间结构抗震理论与设计[M]．北京:科学出版社， 1999．