【解构】世界最大、最炫酷天文馆:上海天文馆结构设计大揭秘!

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文章来源:建筑结构,微信ID:BuildingStructure 作者:郜 江,李亚明等 摘要 上海天文馆结构形态复杂,结构材料种类多,多种结构体系组合成一个整体。其中,上部结构包括大悬挑、大跨度、大开洞、不规则曲面等结构单元,其地震作用复杂,属于特别不规则结构。结构设计时通过采取合理的计算手段和抗震概念设计的方法,力求尽可能简化各部位结构体系,从而减小地震作用对结构的不利影响,同时通过采取合理而有效的节点构造,保证结构各部位之间的连接安全有效,从而保证荷载在结构上的有效传递。

文章来源:建筑结构,微信ID:BuildingStructure

作者:郜 江,李亚明等

摘要

上海天文馆结构形态复杂,结构材料种类多,多种结构体系组合成一个整体。其中,上部结构包括大悬挑、大跨度、大开洞、不规则曲面等结构单元,其地震作用复杂,属于特别不规则结构。结构设计时通过采取合理的计算手段和抗震概念设计的方法,力求尽可能简化各部位结构体系,从而减小地震作用对结构的不利影响,同时通过采取合理而有效的节点构造,保证结构各部位之间的连接安全有效,从而保证荷载在结构上的有效传递。


1 工程概况

上海天文馆(上海科技馆分馆)项目位于浦东新区的临港新城,北侧是环湖北三路,西侧是临港大道,南面和东面均为市政绿地,总用地面积58600m2。本项目总建筑面积约38162.57m2,其中,地上24724.09m2和地下室12526.98m2。主体建筑面积35369.85m2,地面以上3层,地下1层,建筑总高度23.95m,建筑效果图如图1所示。

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图1  建筑效果图


上部结构设计

本项目主体建筑尺寸约为140m×170m,结构最大高度22.5m,局部突出屋顶的设备间高度26.5m。地下1层,较高一侧地上3层,局部有夹层,较低一侧地上1层。上部结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,局部采用钢结构和铝合金结构。上部结构主要由4部分组成,即大悬挑区域、倒转穹顶区域、球幕影院区域及连接以上3个区域之间的框架。

大部分屋面为不上人屋面,采用轻质金属板屋面,局部上人屋面和楼面采用现浇混凝土楼板,局部采用闭口型压型钢板组合楼板。地下室顶板除球幕影院区域开大洞外,相对较完整,2,3层楼面均有大面积缩减。上部结构区域划分示意图如图2所示。

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图2  上部结构区域划分示意图

由于较低一侧屋面为轻质金属屋面,结构为钢框架,其刚度小、变形能力强,且质量不超过整个上部结构质量的5%,因此整个上部结构采用无缝设计,但在构造上加强高、低侧连接处立柱的配筋。


2.1 大悬挑区域结构布置

大悬挑区域所在位置如图3所示,悬挑区域采用钢结构体系,主要受力构件为支承于现浇钢筋混凝土筒体上的空间弧形桁架和楼、屋面双层桁架,网架中心线厚度为1.8m。为了保证荷载的传递,在混凝土筒体内设置钢骨(图4)。考虑构造要求,核心筒墙厚度取1000mm。大悬挑区域结构三维模型如图5所示。

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图3 大悬挑区域平面位置及尺寸

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图4 筒体内布置钢骨

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图5 大悬挑区域结构三维模型


2.2  倒转穹顶区域结构布置

倒转穹顶区域所在位置如图6所示,倒转穹顶采用铝合金单层网壳结构,穹顶支承于下部“三脚架”顶部的环梁上,穹顶下方旋转步道采用钢结构体系,步道支承于“三脚架”立柱上。“三脚架”采用现浇钢筋混凝土结构,顶部环梁截面为1800×2000,下方环梁截面为1200×1800,且下方环梁位于立柱的外表面以外。北侧立柱截面为5m×1.8m,南侧两根立柱截面为7m×1.8m。为了减轻立柱的重量,同时简化旋转步道与立柱的连接构造,“三脚架”立柱采用内置直径为1200mm的薄壁空心钢管,钢管在高度方向每隔3m通过一水平横隔板连接在一起,外表面为清水混凝土,为了保证立柱底部水平力的传递,此范围基础底板加厚至1200mm。旋转步道宽3.25m,长178m,最大跨度40m。


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图6 倒转穹顶区域结构


2.3 球幕影院区域结构布置

球幕影院区域所在位置如图7所示,球幕影院顶部球体采用钢结构单层网壳结构,内部观众看台结构采用钢梁+组合楼板的结构形式。球体底部支承结构根据建筑效果要求采用混凝土壳体结构,并均匀设置加劲肋,混凝土壳体与钢结构球体之间设置钢筋混凝土环梁,环梁内设置钢骨。球体结构通过6个牛腿与混凝土环梁连接。

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图7 球幕影院区域结构

3 结构抗震设计

3.1 抗震措施

(1)计算分析

整体计算采用MIDAS/Gen和SAP2000软件,混凝土部分通过模型简化后采用PKPM系列软件进行计算。采用ABAQUS进行大震下结构弹塑性时程分析、混凝土壳体及楼板应力分析。

(2)结构关键部位抗震性能目标

结构关键部位抗震性能目标如表1所示。采用如下措施保证结构关键部位达到抗震性能目标:1)对于各连接节点,采用ABAQUS有限元分析模型在设计荷载作用下对其性能进行详细分析;2)对于钢、铝合金构件,采用MIDAS软件在设计荷载作用下对其内力进行验算,确保满足性能要求;3)对于混凝土构件,采用MIDAS软件进行构件应力分布分析,并根据构件应力分布配筋。

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(3)特殊处理

对所有楼板进行中震下应力分析,保证楼板的抗震性能。对于大悬挑区域、倒转穹顶区域、球幕影院区域等关键部位,取独立模型进行计算分析,提高结构的安全性能。

(4)构造措施

由于大悬挑区域两个核心筒与其他区域连接较弱,确定混凝土框架等级时按照纯框架结构处理,而确定剪力墙抗震等级时按照框架-剪力墙结构处理。结构关键部位抗震等级:混凝土框架、剪力墙为二级,钢结构为三级。


3.2 嵌固端的选择

本工程室内外高差为0.100m,嵌固层选在地下室顶板层,整块顶板有4处开洞较大,其中最大的洞口为球幕影院下方混凝土壳体的内部空间,虽然尺寸较大,但洞口周边与混凝土壳体连接,混凝土壳体侧向刚度大,因此地下室顶板开洞对上部结构影响较小。其余位置在顶板开洞区域的周边布置刚度较好的边梁,以保证顶板的整体性。

分析嵌固端剪切刚度时,计算参数取消地下室信息,仅考虑上部结构周边一跨以内的地下室结构进行计算。由于上部结构各区域刚度差异较大,为了较真实地反映地下室对上部结构的嵌固情况,将上部结构分成两块分别进行刚度分析,即较高一侧分块A和较低一侧分块B,分块模型如图8所示,嵌固端抗侧刚度比计算结果如表2所示。

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图8 分块模型


3.3 抗震计算分析

3.3.1 小震下结构独立模型抗震性能分析

多遇地震作用下独立模型采用反应谱法进行计算,考虑时程分析结果并乘1.4的放大系数。

(1)大悬挑区域:大悬挑区域最不利地震作用方向为45°,135°。大悬挑区域在45°,135°地震作用下的水平位移及竖向地震作用下的竖向位移分别如图10,11所示,由图可知:多遇地震作用下大悬挑区域位移值远远小于恒载+活载标准组合下的位移,地震工况不起控制作用。

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(2)倒转穹顶区域:倒转穹区域最不利地震作用方向为8°,98°。如图12,13所示,多遇地震作用下倒转穹区域位移值与恒载+活载标准组合下的位移相当,但是竖向位移远远小于后者。

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(3)球幕影院区域:球幕影院区域最不利地震作用方向为82°,172°。如图14,15所示,多遇地震作用下球幕影院区域位移值远远小于恒载+活载标准组合下的位移,地震工况不起控制作用。

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3.4 性能目标分析

3.4.1 大震弹性

球幕影院与混凝土壳体连接杆件(图16)需要满足大震弹性的性能目标。大震反应按照小震反应谱和时程包络值乘6.25的放大系数计算。大震下球幕影院与混凝土壳体连接杆件应力比最大值为0.667,小于常规荷载作用下的最大应力比0.697,杆件不是地震荷载控制,能够满足大震弹性的性能目标[3]。

采用ABAQUS软件进行大震下大悬挑区域弧形桁架与混凝土筒体的弹塑性时程分析,计算模型如图17所示。提取几个关键部位的结果:混凝土筒体、大悬挑钢桁架部分及球幕影院部分,判断大震下大悬挑区域构件的性能(1000mm厚外筒体配筋为25150,均双层双向配筋[4])。

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大悬挑区域钢结构桁架在大震作用下的时程分析结果见图18;混凝土筒体在大震下的性能如图19,20所示。


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3.4.2 中震弹性、大震不屈服

大悬挑区域弧形桁架及楼、屋面双向桁架、倒转穹顶区域旋转步道、铝合金网壳、钢结构网壳需满足中震弹性和中震不屈服的性能目标,中震和大震反应分别按照小震反应谱和时程包络值乘3,6.25的放大系数计算。

倒转穹顶区域铝合金网壳在中震作用下最大组合应力为173.7MPa(图21(a)),满足中震弹性的性能要求;在大震作用下(标准组合)最大组合应力为202.6MPa(图21(b)),铝合金网壳除洞口的少数应力集中区域外基本满足大震不屈服的性能要求,下阶段将通过加大洞口周边截面尺寸来满足此要求[5]。

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球幕影院区域铝合金网壳在中震作用下最大组合应力为171.7MPa(图22(a)),满足中震弹性的性能要求;在大震作用下(标准组合)最大组合应力为174.4MPa(图22(b)),满足大震不屈服的性能要求。

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如图23所示,大震作用下球幕影院钢结构网壳处于弹性状态;混凝土壳体仅少数单元有受压损伤,混凝土内钢筋进入塑性,最大塑性应变为0.0021,可以通过增大边梁配筋解决。大部分区域钢筋未屈服,混凝土受压未损伤,因此可以认为大震下球幕影院整体不屈服。

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4    结论

(1)本项目结构属于规范未包含的特殊类型复杂结构,其各项抗震指标无法按照常规建筑进行超限判定,但是由于结构的高度较低(不超过24m),控制工况是常规荷载,并不是地震工况。

(2)通过对结构整体模型和独立模型的分析可知:结构具有较高的冗余度,具有良好的防倒塌性能。

(3)在多遇地震作用下,结构的绝对位移较小,在全楼弹性板的计算条件下,最大顶层位移角及层间位移角(按照柱端节点统计)均满足规范1/800的限值要求,结构具有良好的抗侧刚度。

(4)通过计算分析,结构各部位抗震性能满足设定的性能目标。

参考文献

1.建筑抗震设计规程:DGJ 08-9—2013[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站,2013.

2.建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

3.钢结构设计规范:GB 50017—2003[S]. 北京:中国计划出版社,2003.

4.混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

5.铝合金结构设计规范:GB 50429—2007[S]. 北京:中国计划出版社,2008.

附施工过程实景照片:

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文章详尽地分析了大震作用下各结构的受力性能,更多精彩内容详见《建筑结构》杂志文章:2018年第3期,题目:《上海天文馆结构抗震设计》,作者:郜江1,李亚明2,3,贾水钟2,3,张良兰2,3(1 上海科技馆; 2 上海建筑设计研究院有限公司;3 上海建筑空间结构工程技术研究中心)。

后续将会介绍:上海天文馆球幕影院复杂壳体混合结构设计、上海天文馆倒转穹顶铝合金网壳结构设计,敬请期待!


注:本文部分图片源于互联网,原始出处不详,其版权归原作者及原出处所有。如原版权所有者不同意转载,请及时联系我们,以便立即删除。


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