【结构精品案例】绍兴山水馆巨型椭球钢屋盖结构选型与设计

金沙东方山水商务休闲中心位于浙江省绍兴市，其中水馆建筑造型为一大体量扁平椭球体。整个屋盖落于地下室柱顶即±0.000标高处，在与相邻的山馆接口处有一道弧形切口。屋盖纵向长度为228m，横向最大宽度为137m，中央最高处标高为30ｍ，矢跨比分别为1/7.6 和1/4.6。如图所示。

工程概况

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绍兴金沙·东方山水国际商务休闲中心位于绍兴鉴湖—柯岩旅游度假区，总投资约80亿元，总用地面积约39万m2，总建筑面积约100万m2。由以商务办公、酒店式公寓和五星级酒店为主的商业区，以室内山馆和水馆为主题的旅游区，和以高档低层住宅和高层住宅为主的住宅区3个功能区块组成。 以室内山馆和水馆为主题的旅游区包括A，B，C，D，E，F6个场馆，其中A，B，C三馆钢结构主体部分结构形式类似，都为钢桁架弦支穹顶组合网壳结构，即结构外围区域为钢桁架组合网壳，而中心区域为弦支穹顶。A，B，C三馆建筑规模如表1所示。

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结构体系选型1、结构选型的制约与挑战 目前在国内已建大体量壳体结构中，采用的结构体系包括肋环形布置的空腹双层网壳（国家大剧院）、联方型单层圆柱面网壳（天津西站） 、正交管桁架结构（福州海峡国际会展中心）、弦支穹顶结构（常州体育会展中心体育馆） （常州体育会展中心体育馆） 等，如图2所示。

以上工程在造型和边界条件等方面与水馆有一定相似性，可作为参考与借鉴。但本工程屋盖结构有其自身的特点，给结构设计提出了制约和挑战。

1）整体造型上呈现壳体特征，矢跨比为1/7.6和1/4.6，能较为充分地发挥壳体受力特性。长短跨比为1/1.6，具备较好的空间传力特点。结构体系选择即充分考虑“壳体作用”和“空间传力”两个特点。

2)屋盖落地支座均位于地下室柱顶，且地面楼板较厚、较完整，可作为屋盖支座的嵌固端，从而为充分发挥壳体作用提供了较好的边界约束条件

3)尽管屋盖矢跨比较合理，但中部区域平坦，受弯作用显著，因此需加强中部区域的竖向抗弯刚度。

4)屋盖中央设大面积的采光玻璃天窗，因玻璃对变形（尤其是相对变形）比较敏感，加之本工程跨度大，因此业主和建筑师要求，不仅要满足规范挠跨比限制，且应进一步提高竖向刚度，以保障玻璃顶的安全。

5)屋盖内部设有较高的娱乐设施，因此屋盖结构厚度应适当控制，以满足净空要求。

结构特点

C馆钢结构主体为钢桁架弦支穹顶组合网壳结构，外围钢桁架组合网壳部分由16榀径向主桁架、环桁架、环梁及连接构件组成；中心弦支穹顶由上部联方型单层网壳和下部肋环型索杆系组成（共3环，16肋），每环索杆系由环向高钒索、径向钢拉杆及竖向撑杆组成，上下、左右双向对称长轴跨度63.7m，短轴跨度43.9m。如图2

弦支穹顶结构（见图3）是结合空间网壳和索穹顶结构的一种合理的新型大跨空间结构。

与单层网壳相比较，下部的索撑体系不仅增强了总体结构的刚度，还提高了单层网壳的稳定性，克服了单层网壳对缺陷敏感的，从而可以实现结构跨度更大、网壳矢高更小。与索穹顶相比较，用刚性的上弦层取代柔性的上弦索，使施工大为简化。

在受力方面，结构对边界约束的要求明显降低。单层网壳以及索穹顶分别对周边支承结构有较大的推力或拉力，而弦支穹顶结构的径向拉杆和环向索能够减小甚至抵消支座水平力。从而大大降低对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作，使该结构体系具有更广泛的适用性。

施工过程

根据工程特点和钢结构施工总体方案，确定对Ｃ馆中心弦支穹顶结构采用胎架支撑，上部网壳地面拼装、分单元高空吊装，下部索杆系无支架整体提升的方法进行安装。综合考虑结构特点和相应的节点构造、张拉机具以及施工工艺等因素，采用分批次循环张拉径向钢拉杆的张拉方式在结构中建立预应力。 径向钢拉杆分2阶段循环张拉。待穹顶网壳及钢结构主体拼装完毕、支座固定后，从外环向内环，逐环进行第1阶段张拉。拉索未张拉时，穹顶上部为一单层网壳，为保证施工阶段结构的安全性构造,第1阶段循环张拉时，不主动落架。

第1阶段逐环分批张拉结束后，结构为完整的弦支穹顶，为避免支撑胎架对第2阶段拉索张拉的影响，在第2阶段循环张拉前，将所有支撑胎架主动脱离网壳结构。考虑到最外环拉索的重要性，第2阶段循环张拉从内环向外环进行。

具体施工顺序如下：①安装环桁架支撑胎架；②地面拼装，高空分段安装中央环桁架；③分块吊装弦支穹顶上部网壳；④分段吊装径向桁架，分块吊装下部屋面组合网壳，散件高空补档；⑤钢结构安装焊接完成后，索杆系整体提升安装；⑥从外环至内环对径向索进行第1阶段逐环分批张拉（径向索同环间隔分批）；⑦结构卸载；⑧从内环至外环对径向索进行第2阶段的逐环分批补张拉。

施工分析

1、有限元模型 张拉分析采用大型通用有限元软件ANSYS，考虑结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性），计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。钢桁架组合网壳构件采用Beam188单元，撑杆和拉索采用link单元模拟。环向索采用?60～?100mm高钒索，弹性模量Es =1.6×105MPa 。索夹及索头节点处通过质量单元进行模拟。对钢桁架弦支穹顶组合网壳（连带支撑胎架）进行总体建模分析，考虑外围屋盖刚度对中心弦支穹顶产生的二阶效应影响。

2、张拉过程分析 采用如下方法模拟拉索张拉全过程：首先设定一定的拉索张拉力为目标索力，通过对索单元施加负温来模拟拉索张拉力，采用补偿法和退化补偿法等迭代策略寻找索内负温，使结构达到初始平衡态时的拉索索力为目标索力；然后按照上述方法对不同张拉阶段的结构状态进行相应的找力分析；最后按照分批次循环张拉顺序，对径向钢拉杆赋予相应负温，进而计算张拉索力及相应的结构内力和变形。由于弦支穹顶索杆系的张拉存在相互影响，径向索张拉力一般与目标索力并不相同，通过张拉全过程分析可以得出索力在施工张拉时的分布情况，以用于指导施工。

结构在张拉过程中总体受力特点如下：钢结构安装完成后，拉索未张拉前，结构在临时支撑胎架上的最大下挠点位于弦支穹顶中环长轴位置。随着钢拉杆的张拉，弦支穹顶产生反拱且反拱值逐渐增大，但依然随整体结构下挠。即不能通过一次张拉使弦支穹顶结构脱离胎架（若达到该效果张拉力远超过拉索初始预张力），且撤除胎架以后，结构竖向位移增大，拉索拉力有明显减小。如图4所示。

根据结构上述受力特点，确定采用分阶段循环张拉：第1阶段由外环至内环逐环分批张拉完成后，结构卸载，环索及径向索的拉力达到设计初始预应力的80%；第2阶段由内环至外环逐环分批张拉完成后，索力达到设计初始值。 由于同环钢拉杆共16根，数量较多且对称均匀分布，故采用同环间隔分批张拉（图5奇数号钢拉杆为第1张拉批，偶数号为第2张拉批），该方法在使得张拉设备减半的同时，大大减小了第1批次钢拉杆的张拉力。各阶段施工张拉力如表2，3所示。

索夹抗滑移试验

1、试验背景 索夹是弦支穹顶结构中竖向撑杆、径向钢拉杆及环向拉索的交汇点，是下弦环索将预应力转换为对上部网壳支承力的关键节点。椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，而索夹节点的抗滑性能影响了结构的承载能力：索夹抗滑力不足将导致索的滑移，改变弦支穹顶的受力状态及结构形态，对结构产生不利影响。现通过索夹抗滑移试验确定索夹能承受的最大不平衡力，以评测其是否能满足工程需要。 绍兴山水馆弦支穹顶结构中环索采用连续索，索夹采用上下盖合型铸钢索夹。C馆环索的最大直径为100mm，索夹节点两侧环索最大不平衡力为203kN。试验索夹布置如图6所示。节点模型如图7所示。

2、试验工装（见图8）

1)在100mm高钒索段上对称安装G-HS3-SJ2(A)，索夹之间为YCW150B轻型穿心式千斤顶，两端通过环形撑脚垫板抵在索夹上盖板实现对顶加载，进行索夹两端不平衡力的模拟。

2)在索夹近加载端及远加载端的中间列12.9级高强螺栓连接副之间设置穿心式压力传感器，以测定索夹安装时的高强螺栓预紧力（扭矩系数）及试验加载过程中高强螺栓预紧力的变化。

3)在自由段索体与索夹远加载端之间架设百分表（共4个），分别测量加载过程中索夹上盖板、下盖板与索体间的相对滑动位移；在加载千斤顶与索夹近加载端架设百分表（1个），作为索夹相对位移的辅助测量装置。

3、试验步骤1）如图8所示，依次安装穿心式千斤顶、环形撑脚垫板、索夹和百分表。其中索夹安装时，高强螺栓拧紧顺序为从中间向四周对称施拧，以安装压力传感器的高强螺栓预紧力为指导，进行分级反复拧紧，直至预紧力达到12.9级高强螺栓预紧力设计值180kN。

2)预加载，使高钒索处于绷紧状态，微调试件位置使其受力在同一轴线，同时读取千斤顶伸长油缸及索夹末端处所设百分表初读数。

3)千斤顶分级加载，每级60kN，持荷3min，每级加载结束时读取各压力传感器及百分表读数，加载至索夹节点最大不平衡力200kN。

4)分级加载，每级20kN，持荷3min，每级加载结束时读取各压力传感器及百分表读数，直至索夹滑移不能继续加载。5)相同试验进行2次（更换试验试件），以做参照对比。

4、试验结果 根据试验加载过程中百分表记录的索夹相对位移，绘制出索夹滑移量与千斤顶加载力之间的曲线，如图9所示。

由图9可知：在加载力＞375kN时，索夹上盖板滑移呈线性增长趋势（分级加载持荷3min以后位移趋于稳定），下盖板未出现滑移；当加载力超过375kN时索夹上盖板滑移量迅速增加，同时下盖板也出现滑移。由于是通过对顶索夹上盖板的加载方式来模拟索夹节点两端的不平衡力，在加载力＜375kN 时，SJ2A上下盖板均未出现滑动；加载力超过375kN 以后，上盖板出现较小相对位移，但至试验结束总位移量＜0.3mm。

式中：μ为索体与索夹孔道接触面之间的摩擦因数；K为与拉索在索夹内的紧固程度及索夹内压力分布状态有关的系数（工程中通常取为2.8）；为索夹上单个高强螺栓的预紧力（单个螺栓设计预紧力为180kN，此处取为索夹滑移时压力传感器量测值的平均值）。

2次试验中，索夹最小抗滑承载力为350kN，大于索夹节点两端最大不平衡力200kN，安全系数为1.75，索夹抗滑移性能满足工程要求。 2次试验过程中，第1次试验未连压力传感器的高强螺栓拧紧力离散性较大，部分可能未达到预紧力设计值，而第2次试验拧紧力较为均匀。结果比较分析可知，第2次试验索夹极限抗滑承载力较第一次提高60%，所以螺栓拧紧力的控制对索夹抗滑力起到关键作用。

【结语 】 本文结合绍兴山水馆C馆的具体工程，对钢桁架弦支穹顶组合网壳结构的中心弦支穹顶的施工过程进行了分析，并提出了这种结构的优化的施工方案。对椭圆形弦支穹顶斜角部位的铸钢索夹节点进行了抗滑移模型试验，并验证其可以满足工程要求。由于弦支穹顶结构的跨度一般较大，柔性索杆系在张拉过程中会对结构产生明显的相互影响，在施工过程中张拉索力及其同步性控制为主，变形控制为辅。在弦支穹顶结构施工时要提出合理的张拉顺序及张拉方式，并对施工过程进行分析，确保施工过程的合理可行。

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