大跨度空间+自由曲面：钢结构天幕设计案例分享

大跨度空间+自由曲面

钢结构天幕设计案例分享

基准方中

随着我国钢结构建造水平的不断提高，近年来各种造型独特的空间钢结构如雨后春笋般拔地而起。钢结构天幕作为大型商业综合群体的连接纽带，以夸张的几何造型和华丽的外观效果得到广大建筑设计师的青睐。

国内大跨度钢结构天幕的研究已经较为广泛，空间钢结构节点的试验和研究也较为深入，但大跨度天幕支撑于不同单体上，且考虑各单体的不同支座的研究还不足， 因此本文针对置于四个镜像关系的下部钢筋混凝土的天幕支座情况进行研究，考查不同支座情况下钢结构天幕的内力及受力性能。

CANOPY DESIGN

STEEL STRUCTURE丨CAMBER丨LONG-SPAN

南充某改造项目屋顶新增天幕为连接商业塔楼单元之间的大跨度空间自由曲面，天幕支撑于4个相互对称的钢筋混凝土单体上。天幕柱下方的支座形式不同，天幕的受力特性及自振特性均有较大差别。通过对比天幕不同的约束边界条件，选择合适的支座形式，保证天幕杆件内力满足设计要求的同时，根据分析结果选择合理的支座条件，为后续的工程提供参考。  

01

 工程概况 

△屋顶天幕俯视图

本改造项目建筑面积约为4.8万㎡。原主体下部钢筋混凝土框架结构，地上2层（局部4层），建筑功能为商业；地下1层，建筑功能为车库及设备用房。 屋顶设置的大跨度连体钢结构天幕 ，南北向长度约为 60m ，东西向长度约为 110m ，天幕为形似蝴蝶的自由曲面。 曲面的网格划分为近似空间等边三角形，网格尺寸为 2.5m~3.0m 。 天幕下方间隔一定距离设置树形分叉柱，分叉柱沿天幕中心呈对称布置。

△效果图

02

 天幕结构设计 

·参数设计

天幕钢结构设计工作年限为50年，结构重要性系数为γ0=1.1。本场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，场地类别为II类，设计地震分组为第一组，场地特征周期Tg=0.35s。该地区基本风压为0.3kN/m2，地面粗糙度类别为B类。  

荷载取值：（1）恒荷载：自重根据程序自动考虑并沿Z轴负方向；屋面膜及局部铝板0.4kN/m2；（2）不上人屋面活荷载0.5kN/m2；（3）风荷载：根据基本风压计算得到的风荷载和1.0kN/m2两者值取大进行设计；（4）温度作用：南充地区基本气温最高为36℃，最低气温为0℃，因此钢结构天幕温度荷载按照升温40℃、降温28℃进行取值；（5）地震作用：考虑竖向地震，竖向地震影响系数取水平地震影响系数的65%。  

△效果图

·结构布置

整个天幕为钢结构树形分叉柱支承的网壳，网壳下方共设有11个树形分叉柱，每个树形分叉柱在柱分叉以下的部分为三个圆管形成相互连接的组合截面。其中分叉柱2、分叉柱4、分叉柱5、分叉柱7、分叉柱11、分叉柱12柱底位于三层板面标高；分叉柱1、分叉柱3、分叉柱6、分叉柱8柱底位于四层板面标高；分叉柱13位于地下室顶板板面标高；在三层板面北侧（支座9、10）设有2个支座。    

△   屋顶天幕支座编号

天幕杆件截面如表1所示。杆件截面设置的总体思路为：传力较为直接的方向上，杆件截面相对大一些，增大该方向的刚度；支座周边的杆件应力较为集中，杆件的截面也设置的相对大一些；其余次要位置的杆件截面相对小一些，减轻结构自重。  

如支座11、支座12与支座13之间跨度较大（约为26m），此区域杆件截面相对要大一些；支座1、支座3之间；支座2支座4之间传力路径较为直接，因此Y向的杆件截面也相对大一些。    

△   表   1   天幕主要杆件   截面

·支座布置方案

由于支座1、支座3等底位于四层板面，支座13位于地下室顶板板面，其余柱底位于三层板面。因此如表2所示，考虑天幕柱底不同约束情况进行参数分析，考查不同方案下天幕受力性能及自振特性的影响，从而得出相关结论。  

△   表   2   天幕支座约束情况

03

 结果分析 

·方案一

天幕钢结构在恒荷载及自重作用下的竖向位移如图1所示，竖向位移最大值为62mm；活荷载作用下的最大位移如图2所示，竖向位移最大值为15mm；风荷载作用下竖向位移如图3所示，最大竖向位移为36mm。方案1的组合工况下天幕钢结构杆件应力如图4所示，杆件最大应力比为0.75。天幕钢结构第一阶周期为3.616，第二阶周期为2.3015，第三阶周期为2.0894，天幕前三阶振型分别如图5~图7所示。

·方案二

天幕钢结构在恒荷载及自重作用下的竖向位移如图8所示，竖向位移最大值为65mm；活荷载作用下的最大位移如图9所示，竖向位移最大值为15mm；风荷载作用下竖向位移如图10所示，最大竖向位移为42mm。方案2的组合工况下天幕钢结构杆件应力如图11所示，杆件最大应力比为0.78，天幕钢结构第一阶周期为4.165，第二阶周期为3.215，第三阶周期为2.0894，天幕前三阶振型分别如图12~图14所示。  

·方案三

天幕钢结构在恒荷载及自重作用下的竖向位移如图15所示，竖向位移最大值为62mm；活荷载作用下的最大位移如图16所示，竖向位移最大值为15mm；风荷载作用下竖向位移如图17所示，最大竖向位移为35mm。方案3的组合工况下天幕钢结构杆件应力如图18所示，杆件最大应力比为0.73，天幕钢结构第一阶周期为1.971，第二阶周期为1.147，第三阶周期为0.892，天幕前三阶振型分别如图19~图21所示。

·方案四

天幕钢结构在恒荷载及自重作用下的竖向位移如图22所示，竖向位移最大值为83mm；活荷载作用下的最大位移如图23所示，竖向位移最大值为19mm；风荷载作用下竖向位移如图24所示，最大竖向位移为47mm。方案1的组合工况下天幕钢结构杆件应力如图25所示，杆件最大应力比为0.84，天幕钢结构第一阶周期为4.719，第二阶周期为3.833，第三阶周期为3.216，天幕前三阶振型分别如图26~图28所示。  

04

 结论 

·柱底铰接（方案3）方案计算结果中不同工况作用下的位移最小，自振周期最短，结构整体刚度较好；  

·对比方案2和方案4，支座13位置的支座形式对结构整体的受力性能及自振特性影响较大，支座13位置形式建议为铰接；  

·如下图所示，将天幕屋盖模型带入下部混凝土结构进行整体分析，支座11、支座12以及支座9、支座10之间距离较短。如果同时设置为铰接，地震作用下各单体单独受力时，因支座间构件跨度小，支座位移差的影响大，造成局部杆件应力较大，变形难以控制。    

△   整体计算模型

综合各支座情况下的结构受力性能和自振特性，最终选择方案2作为本项目天幕钢结构屋盖的支座形式。