某文化艺术中心超长双曲连体钢屋盖设计

来源：唯结构 公众号

   

1、历史文化背景      

   

青岛，作为中国东部沿海重要的城市，历史悠久，文化底蕴深厚。宋金唐岛湾海战是青岛历史上一个重要的事件，不仅展示了青岛在历史上的战略地位，也突显了这座城市的文化与人文风貌。某文化艺术中心作为西海岸“人文度假休闲综合体”的地标性项目，旨将“因海而生，凭海而立，向海而兴”文化理念与剧场结合，打造青岛海洋文化和人文精神的新标杆。建筑既源于自然又归于自然，消隐又彰显，阐述文化旅游全域融合新蓝图。

  

 

  

   

2、项目概况      

   

本地块总用地面积52884平方米，总建筑面积为37100平方米。项目分为两部分，第一部分为文化艺术中心，主要建筑功能为游乐剧场，固定座位为1500座，为大型乙等剧场；第二部分为配套商业，主要建筑功能为配套商业用房；建筑高度23.8米。

  

 

   

3、设计概念      

   

来到剧场前，最直接的感受是建筑形体起伏，充满张力，就仿佛巨浪扑面而来。又宛若一条游龙，彰显“游龙当归海，海不迎我自来”不屈命运的豪杰物语。

除此外，也能感受海面如镜的宁静，犹如观剧后的心情平复。

 

 

 

 

 

 

   

4.结构设计概况      

   

项目主体为“两个大跨空间钢结构+混凝土结构”，钢屋盖通过北部、中部和南部核心筒与混凝土有效连接，整体结构不设缝。

                    

 

图1  整体模型

文化艺术中心钢屋盖两端低中间高，最大结构高度为23.8m，最大纵向投影结构长度约183m，最大投影结构宽度为41m，最大悬挑投影结构长度为24.2m，结构形式为悬挑 四管 桁架结构。   

      

图2   文化艺术中心部分结构组成图

配套商业钢屋盖平面呈弧形。两端低中间高，最高处的结构标高为19.6m，最大纵向投影长度约为106.5m，最大投影宽度为24.5m，计算跨度为88.4m，最大弧形悬挑长度为14.55m，结构形式为空间四角锥桁架结构。

 

图3   商业配套部分结构组成图

图4   文化艺术中心部分和配套商业部分交界部位结构示意图

 

图5    支座斜撑与下挂楼层的连接节点位置与做法

图6   柱脚节点详图

   

5、结构设计特点      

   

数字化设计

   

在Rhino(犀牛)平台，通过Grasshopper(GH)插件进行参数化建模，得到结构计算模型。
 

图7 参数化建模

优化设计

   

结构温震效应和整体稳定的有机统一。两屋盖纵向较长，需采取有效措施降低温度作用，但屋盖平面双曲，跨中侧向变形可有效释放温度效应，支座的水平刚度需减弱，也减小了钢屋盖的地震作用效应，但对钢屋盖的整体稳定不利，通过改变节点刚度、支撑结构的嵌固刚度和支座水平刚度，在保证钢屋盖整稳性能的前提下（只存在局部结构的屈曲模态），最大限度的降低结构的温震效应。

数值风洞模拟

   

为评估风荷载取值安全性，采用数值风洞模拟对屋盖体型系数进行研究，风向角以10°为分隔。  

图8  数值风洞模型

连体地震作用分析

   

本工程属于超长连体结构，为保证连接体——钢屋盖与周边混凝土结构具有较好的连接性能，采用单体模型和整体模型取包络的设计方法：单体模型基底剪力之和大于整体模型基地剪力，单体模型的地震作用可不放大；商业配套部分竖向构件抗侧刚度要大于艺术文化中心部分，通过商业配套钢屋盖，吸收了来自艺术文化中心部分地震作用；在地震作用下，与钢屋盖相连的核心筒位移都很小。  

表1  超长连体地震作用指标结果

钢屋盖双非线性整体稳定

   

考虑几何和材料非线性，分别考虑活荷载满布和半布两种情况。文化艺术中心钢屋盖按第一阶和第二阶屈曲模态，配套商业钢屋盖按第一阶和第三阶屈曲模态，分别考虑1/300的初始缺陷，选取荷载组合作用下位移最大点作为参考点。杆件采用纤维梁单元，钢材料采用双线性随动硬化模型。  

表2   双非线性分析统计结果

核心筒双非线性屈曲分析

   

本工程共有三个核心筒连接钢屋盖和周边混凝土结构，且核心筒存在跨多层的情况。 由于核心筒是其他框架的侧向支撑，且核心筒的抗侧刚度较大，在研究核心筒屈曲分析时，不可使用单位力法，因单位力法不能按真实的受力情况研究核心筒的稳定情况；也不宜采用以整层屈曲为基础的整体屈曲分析方法，因钢屋盖和框架部分结构的侧向刚度远小于核心筒的侧向刚度，很难找到整体结构或核心筒的屈曲模态；针对“上下弦共同支承的大跨度空间结构+框架+核心筒结构”受力和连接关系较为复杂，各部分的侧向刚度差距较大等问题，提出了一种新型核心筒双非线性屈曲分析方法，分析步骤如下：
 

（1）建立“钢屋盖+框架”局部模型，与核心筒相连的支座分层耦合于一点，并将该耦合点设定为固定铰支座。以（1.0恒+1.0活+1.0风+1.0温度）为可变荷载施加到柱顶，找到该局部结构的整体屈曲模态，并提取该耦合点的荷载系数-水平支座反力曲线，发生整体屈曲时耦合点的水平支座反力即为核心筒提供给该局部结构的的侧向支撑力。

（2）建立核心筒局部模型，将侧向支承力核心筒侧向刚度分配，按不变荷载工况施加给钢屋盖两侧的核心筒；将核心筒与其周边构件连接力以可变荷载的形式施加到核心筒局部模型上，进行双非线性屈曲分析，得到每个核心筒的荷载系数-位移曲线。

    

（a）中部核心筒

（b）北部核心筒 

（c）南部核心筒

图9   核心筒双线性屈曲分析荷载系数-位移曲线

抗连续倒塌能力分析

   

整个分析过程均采用Midas Gen的几何非线性分析方法，采用去除杆件法。  

         
 

       

图10   钢屋盖失效位置

人行舒适度分析

   

配套商业部分的吊挂楼面和上人屋面最大加速度为0.327 m/s ² ，文化艺术中心部分的上人屋面最大加速度为0.179 m/s ² ，均大于限制0.15 m/s ² ，会引起舒适度受损，需采取减震措施。本项目采用协调质量阻尼器（TMD）通过协调自身振动频率来达到减小主结构振动的目的。  

（a）艺术文化中心（TMD布置在马道走道板上）

（b）配套商业（TMD布置在吊挂楼面下）

图11   TMD安装位置示意图

     

（a）艺术文化中心

（b）配套商业

图12   舒适度分析结果

复杂节点分析

   

 

树形柱柱脚节点  

 

 

 

V形柱柱顶钢梁与支座下弦杆的连接节点  

 

     V形柱柱脚节点

小角度腹杆相贯节点

   

6、结论      

   

本工程为超长大跨和大悬挑双曲空间结构，在设计中应用概念设计、专项分析和抗震性能化设计方法，主要得出一下结论：  

（1）钢屋盖体型较为复杂，风荷载采用规范和数值风洞模拟包络取值。两个钢屋盖支承关系不同，导致温度传力方向和敏感部位也不同；针对本工程钢屋盖超长连体特点，采用单体模型和整体模型取包络的设计方法。  

（2）该类型结构以竖向振动为主，水平振动也不可忽略的，在保证结构竖向承载力的前提下，也要保证水平方向的多传力路径，提高水平方向上的刚度和承载力。  

（3）引入结构初始缺陷，考虑双非线性进行屈曲分析，得到钢屋盖和核心筒极限承载力，提出了一种核心筒整稳计算方法，并考虑施工阶段对中部核心筒稳定承载力的影响。结果表明，钢屋盖和核心筒的整稳性能满足要求。  

（4）针对钢屋盖复杂特点，除了整体承载力及变形验算外，还对钢屋盖抗连续性倒塌、舒适度等进行重点分析，以确保结构的安全。  

（5）对多复杂节点进行有限元分析，结果表明，这些节点主要有多遇地震组合控制，节点变形较小，节点各部分材料应力均处于弹性范畴，满足性能化要求。

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