廣州空港會展中心復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系選型與分析*

陳進于，區(qū) 彤，羅赤宇，張佳武，林章尹，張增球

(1 廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司， 廣州 510010；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣州 510006)

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和各行業(yè)實際需求，各類會展建設(shè)方興未艾，結(jié)構(gòu)形式層出不窮，其中以空間桁架和張弦結(jié)構(gòu)居多，尤其是后者多用于非高風壓地區(qū)[1-3]。本文針對沿海地區(qū)會展結(jié)構(gòu)提出一種全新的復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)沿海地區(qū)強臺風影響和不同的復(fù)雜建筑造型。

1 工程概況

廣州空港中央商務(wù)區(qū)一期會展中心工程位于廣州空港經(jīng)濟區(qū)中部，距離白云國際機場2km。本項目為大型會展類建筑，主要包含會展、會議中心以及必要配套功能、地下車庫及機房、后勤區(qū)等(圖1)。項目總建筑面積約34.5萬m2，其中會展面積約20.9萬m2。結(jié)構(gòu)單體主要含12個展館(南北各6個展館)和1個會議室。各展館通過人行通廊平臺連接，每兩個展館作為一個結(jié)構(gòu)單元，各結(jié)構(gòu)單元通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫斷開(圖2)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中將兩個標準展館設(shè)為一個結(jié)構(gòu)單元，每個結(jié)構(gòu)單元總平面尺寸162m×141m，標準展館平面尺寸為67.5m×135m。屋面為金屬屋面，有吊掛和光伏板荷載要求。1、2號展館結(jié)構(gòu)局部含1層地下室，地上局部3層，上部結(jié)構(gòu)采用帶支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)體系(南側(cè)局部采用混凝土框架)，屋蓋結(jié)構(gòu)采用復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系(圖3)。

2 基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化的展館會展結(jié)構(gòu)選型

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)化基本邏輯

本項目展館結(jié)構(gòu)幾何邏輯清晰，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用基于Rhino + Grasshopper平臺，實現(xiàn)不同形式大跨空間結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模。運用Karamba3D在Grasshopper平臺中對結(jié)構(gòu)模型進行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并運用Grasshopper SDK二次開發(fā)技術(shù)[4]，實現(xiàn)快速導(dǎo)入MIDAS Gen、SAP2000模型(圖4)，利用通用有限元軟件強大內(nèi)核進行線性和非線性計算，并將計算結(jié)果實時反饋至參數(shù)化平臺，以便于進一步進行位形優(yōu)化。

2.2 會展結(jié)構(gòu)體系比選

利用結(jié)構(gòu)參數(shù)化工具，可快捷、準確地對不同會展結(jié)構(gòu)形式在相同荷載條件下進行結(jié)構(gòu)比選。根據(jù)項目特點綜合比選了不同柱距(9m和18m)，不同結(jié)構(gòu)形式(空腹桁架、復(fù)合張弦桁架、張弦桁架、空間桁架、網(wǎng)架，見圖5)的結(jié)構(gòu)受力特性和經(jīng)濟性指標。

針對不同柱距及不同結(jié)構(gòu)形式的參數(shù)化比選結(jié)果，并結(jié)合建筑效果和凈高要求，本項目最終采用18m柱距的復(fù)合張弦桁架方案(矢高4.5m)，下弦索桿一體，索為體外預(yù)應(yīng)力形式(圖6)，該體系有以下優(yōu)勢：1)相比張弦桁架結(jié)構(gòu)，復(fù)合張弦桁架使得其自身向上和向下?lián)隙冉档?0%～50%左右，極大地改善了整體剛度；2)可進一步降低屋蓋矢高，預(yù)留展館足夠凈高；3)下弦復(fù)合圓管直徑約為351mm，與索體并排，基本上不影響現(xiàn)場效果；4)現(xiàn)場施工可采用吊裝法或者滑移法施工，施工過程中由下弦桿提供剛度，承擔施工過程中的結(jié)構(gòu)自重荷載，索僅需一次張拉成形；5)相比張弦桁架結(jié)構(gòu)，復(fù)合張弦桁架下弦桿件可按需求設(shè)置掛點，使得掛點排布不出現(xiàn)盲區(qū)；6)在矢高4.5m的情況下，屋蓋用鋼量僅75～85kg/m2左右，在國內(nèi)同等跨度展館內(nèi)[1-3]屬較優(yōu)水平。

2.3 復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)比選

在確定采用復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系后，利用參數(shù)化建模和分析工具針對復(fù)合張弦桁架的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(起拱高度、兩館是否分縫、支座是否釋放、端部桁架形式、屋面單雙坡、撐桿間距、下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系案)進行比選，有以下結(jié)果：

(1)屋面拱度和坡度：由于本工程12個展館屋面起拱高度不同，且北側(cè)展館均為單坡屋面，南側(cè)展館均為雙側(cè)屋面。經(jīng)過比選，在屋面不同拱度甚至負曲率情況下復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)對不同屋面曲面具有較強的適應(yīng)性，屋面坡度形式(單坡和雙坡)對豎向剛度和變形影響不大，單坡形式會在端部產(chǎn)生一定的次彎矩，造成上弦和下弦端部截面略大。建議屋面上拱高度維持在0～1.5m范圍內(nèi)為宜。

(2)兩館分縫：兩個場館之間是否分縫對用鋼量影響不大，對屋面變形和分縫處的水平側(cè)移有一定影響，分縫后單排柱柱頂位移較不分縫大。故建議屋面不分縫，保證其整體性，并與建筑屋面效果一致。

(3)支座釋放：由于復(fù)合張弦桁架在理論上為一種自平衡體系，傳給支撐結(jié)構(gòu)的水平力較小。因此可在復(fù)合張弦桁架單側(cè)設(shè)置單向滑動支座，釋放沿桁架跨度方向的水平力。水平地震和側(cè)向風荷載主要由兩側(cè)帶支撐鋼框架獨立承擔。

(4)端部桁架形式：針對復(fù)合張弦桁架端部結(jié)構(gòu)形式，基于考慮端部拉力盡量由索承擔，以降低下弦桿受力，采用下弦桿提前收起的方案一(收桿留撐)和方案二(收桿去撐)形式，確實可有效控制下弦鋼管截面，但也會導(dǎo)致對應(yīng)上弦在斜腹桿作用下產(chǎn)生較大的次彎矩，造成上弦桿大幅增加。故考慮下弦桿連續(xù)的方案三，端部下弦桿截面適當增大，以保證索桿剛度連續(xù)(圖7)。

(5)撐桿間距：經(jīng)過分析，撐桿間距加大之后，用鋼量略微增加，但增加幅度不大。主要是屋面次梁跨度隨著撐桿間距增大而增大，故結(jié)合建筑軸網(wǎng)模數(shù)和效果，按間距9m設(shè)置撐桿，端部適當加密。

3 標準展館主要設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)布置

3.1 主要計算參數(shù)

本工程設(shè)計使用年限和結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期均為50年；建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級；抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，抗震措施均按7度考慮；框架結(jié)構(gòu)抗震等級為二級，鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為四級；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；耐火等級為二級。

3.2 重力荷載和溫度作用

屋面附加恒載DL取1.0kN/m2；屋面活載LL取0.5kN/m2，吊掛活載和光伏活載等重荷載區(qū)域按照實際施加。鋼結(jié)構(gòu)自重DD程序自動考慮。

混凝土結(jié)構(gòu)溫差考慮±15℃，徐變系數(shù)0.3；屋面鋼結(jié)構(gòu)合攏溫差取(25±4)℃，室外鋼結(jié)構(gòu)考慮±35℃溫度作用，室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)考慮±25℃溫度作用。施工階段考慮-25℃和+55℃的施工溫差。

3.3 風荷載

風荷載為本工程鋼屋蓋主控工況。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5](簡稱荷載規(guī)范)，主體結(jié)構(gòu)承載力按100年重現(xiàn)期風壓0.60kPa進行設(shè)計(風敏感建筑)，變形按50年重現(xiàn)期基本風壓0.50kPa進行驗算。

根據(jù)委托單位提供的正式風洞試驗報告(圖8)，屋蓋在不同風向角下會出現(xiàn)風壓力W↓或者風吸力W↑。屋面最大等效風壓為-4.4kPa(北側(cè)檐口區(qū)域)，墻面最大的等效風壓為+2.2kPa(東側(cè)拐角處幕墻)。設(shè)計階段根據(jù)風洞試驗報告并結(jié)合規(guī)范取值，對結(jié)構(gòu)進行包絡(luò)設(shè)計。

3.4 結(jié)構(gòu)分析軟件及材料參數(shù)取值

采用YJK軟件對下部結(jié)構(gòu)進行分析計算及配筋；采用MIDAS/Gen軟件對整體模型進行計算分析，包括模態(tài)分析、屈曲分析、非線性分析、時程分析等。對鋼結(jié)構(gòu)和索結(jié)構(gòu)采用非線性計算結(jié)果進行構(gòu)件設(shè)計。

由于下部混凝土結(jié)構(gòu)與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比不同，混凝土構(gòu)件阻尼比取0.05，鋼構(gòu)件取0.02，索結(jié)構(gòu)取0.01[6]，在整體結(jié)構(gòu)彈性分析中，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。

鋼結(jié)構(gòu)主要采用Q355B鋼材，根據(jù)受力以及建筑外觀尺寸要求，復(fù)合張弦桁架下弦需要采用Q460B無縫鋼管。下弦索體采用鋅-5%鋁-稀土合金鍍層鋼絞線即高釩索，其極限抗拉強度為1 670MPa，彈性模量取1.6×105MPa。

3.5 下部抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系

展館下部結(jié)構(gòu)對比分析了鋼框架+支撐方案、混凝土框架+支撐方案以及鋼框架+局部混凝土框架的混合結(jié)構(gòu)方案，綜合受力性能、經(jīng)濟性、裝配式和施工速度各方面因素，展館下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系采用混合結(jié)構(gòu)方案：即大跨度部分采用鋼結(jié)構(gòu)，局部帶柱間支撐；靠通廊側(cè)采用混凝土框架方案，并與室外通廊連成一體(圖9)。

3.6 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

屋蓋結(jié)構(gòu)體系采用復(fù)合張弦桁架體系，結(jié)構(gòu)最大跨度67.5m，每個標準展館共包含7榀復(fù)合張弦桁架，間距18m(圖10)。屋蓋每隔9m設(shè)置一道次梁，次梁間距與復(fù)合張弦桁架撐桿間距一致。并設(shè)置兩道水平支撐，與下部結(jié)構(gòu)的柱間支撐一起形成完整抗側(cè)力體系。東側(cè)因建筑效果要求設(shè)置最大懸挑19m的懸挑桁架。根據(jù)展館使用需求，標準展館每條縱向次梁吊掛1個20kN掛點和4個1kN掛點，掛點排布模數(shù)為6m×3m，同時復(fù)合張弦桁架下弦每隔6m允許設(shè)置一個20kN掛點(圖10)。

復(fù)合張弦桁架一端采用銷軸支座，一端采用滑動支座，桁架上弦為雙桿，上弦寬度為0～5.5m漸變(圖11)。桁架高度最高為4.5m，矢高比為1/15。上弦雙桿截面為φ600×20。下弦為復(fù)合索桿體系，桿截面為φ351×22，索為2D95高釩索(雙索)。

3.7 智慧光纖索力監(jiān)測技術(shù)

項目位于沿海臺風高發(fā)區(qū)，索力變化十分頻繁。項目在部分索力控制點監(jiān)測采用將光纖光柵傳感器和拉索普通鋼絲進行耦合制作成的可測量應(yīng)變的光纖光柵智慧索(圖12)[7]。將原普通拉索中心位置鋼絲用光纖光柵智慧索代替組成智慧拉索，通過應(yīng)變測量換算成索力。

光纖光柵智慧索技術(shù)具有以下優(yōu)點：1)精度高、量程大；2)抗電磁干擾能力強，光信號不受電磁干擾影響，采集及傳輸信號幾乎不會失真；3)耐久性好，制作光纖的材料具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，光纖傳感器適用于惡劣環(huán)境，光纖光柵類傳感器耐久性好；4)容量大、損耗小。

4 標準展館主要計算分析結(jié)果

4.1 振型模態(tài)分析

采用多重Ritz向量法進行振型模態(tài)分析，選取30個X向振型、30個Y向振型和190個Z向振型，各向質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，滿足規(guī)范要求。通過自振分析可以看出結(jié)構(gòu)第1階振型出現(xiàn)整體豎向振動(圖13)，直至第9階振型(T9=1.076s)才出現(xiàn)明顯的水平振動。

4.2 拉索內(nèi)力分析

展館結(jié)構(gòu)屋蓋體系采用復(fù)合張弦桁架，下弦單根索預(yù)應(yīng)力初始值為1 750kN，雙根拉索總預(yù)拉力PS為3 500kN。下弦索按DD+0.5DL作用下的懸鏈線進行找形并確定初始預(yù)拉力[8]，該工況組合下屋蓋撓度為-21mm，基本滿足零位移找形需求。經(jīng)過不同工況組合下的幾何非線性分析，下弦最大索力為5 561kN，荷載組合為1.3DD+1.3DL+1.5LL+1.3PS；最小索力為2121kN，荷載組合為1.0DD+1.0DL+1.5W↑+1.0PS。

由于復(fù)合張弦桁架下弦桿具有一定的抗壓剛度，下弦索索力在張拉完畢經(jīng)內(nèi)力重分配后較初拉力少量降低；在風工況為主工況情況下，由于下弦桿承擔一部分反向壓力，索力雖較預(yù)拉力有一定下降，但仍維持較大索力保證拉索不松弛。

4.3 屋蓋變形分析

標準展館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在DD+PS標準組合作用下的非線性變形最大為+42mm(+號表示豎直向上變形)；目標找形工況DD+0.5DL組合作用下最大位移為-21mm(負號表示豎直向下變形)；DD+DL+LL+PS的標準組合作用下，屋蓋結(jié)構(gòu)跨中區(qū)域的最大非線性變形為-225mm，屋蓋結(jié)構(gòu)跨度為67.5m，撓跨比為1/300，滿足撓跨比小于1/250的規(guī)范要求。屋面鋼結(jié)構(gòu)在DD+DL+W↑+PS組合工況作用下的非線性變形為+81mm，撓跨比為1/833，滿足撓跨比小于限值1/250的要求。

下部鋼結(jié)構(gòu)在Y向風荷載作用下的水平最大位移為97mm，位于北部山墻側(cè)；X向最大水平位移為20mm，框架柱高18m，柱頂層間位移角為1/900，滿足小于規(guī)范限值1/250的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)重點關(guān)注山墻抗風柱在-Y向風荷載作用下的內(nèi)力和變形。兩個方向水平地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大水平位移均為6mm，地震作用不是結(jié)構(gòu)的主要控制作用。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

展館屋面鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.93，屋蓋抗側(cè)力構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.85，下部結(jié)構(gòu)水平鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.87，各桿件最大應(yīng)力比均小于0.95，構(gòu)件承載力驗算滿足設(shè)計要求。

4.5 屈曲穩(wěn)定分析

根據(jù)特征值屈曲分析得到結(jié)構(gòu)各屈曲模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)和屈曲形態(tài)，并查看結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄弱部位。采用ANSYS軟件進行屈曲分析，屈曲工況考慮為DD+K×(DL+LL)(K為整體屈曲因子)，得到的結(jié)構(gòu)第1階整體屈曲因子K=25.99，主要失穩(wěn)模式為張弦桁架沿面內(nèi)和面外的失穩(wěn)(圖14)，取結(jié)構(gòu)第1階整體屈曲模態(tài)進行非線性全過程穩(wěn)定分析。

考慮幾何非線性，計算上部鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并按結(jié)構(gòu)第1階屈曲模態(tài)施加初始缺陷[9](缺陷最大計算值取跨度的1/300)，取線性屈曲分析第1階模態(tài)最大位移點為位移監(jiān)控點，同時對相應(yīng)位置的位移和索力進行監(jiān)控。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力臨界系數(shù)為10.2>4.2(圖15)，滿足規(guī)范要求?？紤]幾何及材料雙非線性模型，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動強化模型，Q355B鋼材屈服強度為355MPa，Q460C鋼材屈服強度為460MPa，計算得到結(jié)構(gòu)雙非線性穩(wěn)定荷載因子為4.7>2.0(圖16)，滿足規(guī)范要求。隨著豎向加載的增大，Z向位移逐漸增大直至不收斂，非線性失穩(wěn)模式主要為沿復(fù)合張弦桁架面外方向(Y向)的微擾動失穩(wěn)，這與特征值屈曲分析結(jié)果基本一致。

4.6 防連續(xù)倒塌分析

根據(jù)本結(jié)構(gòu)復(fù)合張弦桁架的特點，本工程防連續(xù)倒塌分析[10-11]設(shè)置了4種斷索桿工況：1)工況1，斷下弦雙索中的1根索；2)工況2，斷下弦雙索；3)工況3，斷下弦桿；4)工況4，斷上弦桿其中一根桿。

將上述4種工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形與初始狀態(tài)下進行比較。根據(jù)計算結(jié)果，工況1、工況2和工況3中下弦索桿失效后，結(jié)構(gòu)均能有效進行內(nèi)力重分布，均能將荷載傳至鄰近索桿，相應(yīng)位置的最大變形和內(nèi)力都降低10%～30%左右，索桿內(nèi)力均在彈性范圍內(nèi)，說明下弦索桿失效對整體受力無影響。工況4斷上弦桿時，對屋蓋結(jié)構(gòu)整體受力性能影響較大，此時屋面荷載通過撐桿傳遞到下弦索桿，撐桿內(nèi)力增大，應(yīng)力比有所增大，但在桿件極限承載范圍內(nèi)。因此，可認為通過比較斷索桿后內(nèi)力重分布過程，所有斷單根索桿工況均不會引起整體結(jié)構(gòu)破壞，也不會引起其他無關(guān)拉索的松弛。因此，復(fù)合張弦桁架體系具有足夠的安全儲備。

4.7 不平衡吊掛荷載分析

根據(jù)實際使用情況，需要考慮不平衡吊掛荷載對結(jié)構(gòu)受力的影響。傳統(tǒng)的張弦桁架往往對不平衡荷載比較敏感，而本項目采用的復(fù)合張弦桁架由于下弦桿的平衡作用，在非線性效應(yīng)下，結(jié)構(gòu)體系對屋面不平衡荷載有較大的適應(yīng)性，整體變形和內(nèi)力分布未出現(xiàn)明顯的不平衡性。

5 復(fù)合張弦桁架關(guān)鍵節(jié)點有限元分析

5.1 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置

本項目屋蓋復(fù)合張弦桁架節(jié)點受力復(fù)雜，存在異向受力情況，難以通過規(guī)范公式進行計算分析，為研究節(jié)點的實際受力情況，有必要采用ABAQUS軟件對復(fù)雜節(jié)點進行受力分析，判斷在不利荷載工況組合下，節(jié)點的承載力及變形是否滿足受力和規(guī)范要求。選取典型的關(guān)鍵節(jié)點(端部支座節(jié)點和索夾節(jié)點)進行有限元分析，位置如圖17所示。

5.2 復(fù)合張弦桁架端部背錨節(jié)點有限元分析

復(fù)合張弦桁架支座節(jié)點為桁架上下弦及索的交匯點，并和框架柱及梁、支撐連接，節(jié)點受力大，構(gòu)造復(fù)雜?；趶埨┕さ谋憷裕卷椖坎捎靡环N端部背錨節(jié)點，利用節(jié)點背部抗壓剛度反向提供拉索錨固力。節(jié)點分析將節(jié)點單獨進行考慮，既滿足連接的需要，又滿足節(jié)點自身受力和構(gòu)造的需求。具體節(jié)點形式如圖18所示。

根據(jù)節(jié)點有限元分析結(jié)果，在最不利工況組合內(nèi)力作用下，節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為223.6MPa，處于彈性工作狀態(tài)(圖19)；節(jié)點位移最大值為1.0mm，位移變形均勻，節(jié)點區(qū)無局部大變形，未發(fā)生局部屈曲的現(xiàn)象。節(jié)點設(shè)計滿足承載力及變形的要求。

5.3 索夾節(jié)點有限元分析

在重力荷載組合作用下下弦桿和拉索均承受同向拉力，而在風吸控制荷載組合作用下索為拉力，下弦桿為壓力，存在反向受力情況(表1)，此時鎖夾螺栓存在明顯的受剪現(xiàn)象。故需對索夾節(jié)點進行復(fù)雜受力模式下的有限元分析。

表1 鎖夾節(jié)點設(shè)計控制內(nèi)力組合/kN

索夾節(jié)點為鑄鋼G20Mn5N材質(zhì)，材料屈服強度為300MPa，極限抗拉強度為480～620MPa。根據(jù)分析結(jié)果，在下弦桿和拉索同向受力模式下，索夾最大應(yīng)力為320MPa，螺栓最大剪力為58MPa；在反向受力模式下，索夾節(jié)點最大應(yīng)力為238.73MPa，螺栓最大剪力約為53.922MPa(圖20)。有限元分析結(jié)果滿足材料屈服強度要求，說明節(jié)點安全可靠，并有足夠安全冗余度。

6 復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系特點剖析

結(jié)合前述分析，本項目采用的復(fù)合張弦桁架在沿海臺風高發(fā)區(qū)具有十分卓越的受力性能和經(jīng)濟效益，并貼合建筑美觀要求。經(jīng)總結(jié)，該體系具有獨特的受力性能和優(yōu)勢。

(1)施工便利性和快捷性

在索張拉前復(fù)合張弦桁架僅靠下弦桿自身即可滿足施工荷載受力和剛度需要,施工過程中最大撓度僅88mm，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比僅為0.29?，F(xiàn)場可選取滑移法或整體吊裝法施工方案，展館中間不設(shè)胎架，方便屋蓋施工與地坪施工無障礙交叉施工，可加快現(xiàn)場施工進度；本體系施工張拉十分便利，所有拉索均可在屋蓋所有桁架安裝后在原位后張拉，單榀結(jié)構(gòu)利用本結(jié)構(gòu)背錨節(jié)點僅3h就可張拉完畢，單個展館可在2～3d內(nèi)完成張拉作業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)施工和索張拉可減少同時作業(yè)，加快現(xiàn)場施工進度。

(2)全過程受力模擬和下弦桿內(nèi)力變向問題

采用ANSYS軟件對復(fù)合張弦桁架的張拉過程進行全過程受力模擬分析，含施工狀態(tài)和使用狀態(tài)，采用只受拉單元模擬預(yù)應(yīng)力拉索，采用生死單元法模擬構(gòu)件在各種荷載工況下的實際狀態(tài)。施工模擬工況設(shè)置如表2所示。

表2 施工模擬工況設(shè)置

復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)最顯著的特點是在剛開始施工時下弦桿承受自重產(chǎn)生的拉力，隨著索力的施加，下弦桿壓力逐漸減小，直至變向產(chǎn)生壓力。而隨著屋面荷載(附加恒載、活載)的逐步施加，壓力又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，全過程模擬分析清晰地反映了這個特殊受力過程(圖21)。根據(jù)模擬分析，在索預(yù)應(yīng)力施加到30%時，下弦桿內(nèi)力開始變向，當索張拉完畢時，下弦桿壓力最大達到1 650kN，但仍小于1.0恒載+1.5風吸組合下的下弦桿最大壓力3 500kN，下弦桿不會出現(xiàn)受壓失穩(wěn)現(xiàn)象，具有足夠的安全儲備。

(3)抗強臺風受力性能

根據(jù)復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)的受力特點，本結(jié)構(gòu)在沿海強臺風地區(qū)具有十分優(yōu)越的受力性能和使用性能。對比傳統(tǒng)的張弦桁架結(jié)構(gòu)，復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)在不同拱度下均不會產(chǎn)生向上的大位移(圖22)，這對于金屬屋面或膜結(jié)構(gòu)屋面在強風吸作用下的防水性能極其有利。

傳統(tǒng)張弦桁架結(jié)構(gòu)在強臺風作用下下弦索索力很小甚至松弛，會給結(jié)構(gòu)帶來風險。而復(fù)合張弦桁架由于有下弦桿的平衡受力，在風吸組合下仍能夠保持較大的索力(最小1 400kN)，結(jié)構(gòu)整體剛度變化不大(圖23)。

(4)簡潔的建筑室內(nèi)效果盡顯結(jié)構(gòu)張力

結(jié)合建筑室內(nèi)效果，屋蓋纖細可見的下弦索桿、細膩精巧的索夾節(jié)點，與建筑燈光和風管按建筑模數(shù)有機布置，盡顯結(jié)構(gòu)張力(圖24)。

7 結(jié)論

(1) 利用結(jié)構(gòu)參數(shù)化工具對多種類型展館結(jié)構(gòu)選型進行對比，綜合建筑效果、使用需求和經(jīng)濟指標，本工程在展館內(nèi)采用復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系，在沿海高風壓地區(qū)具有優(yōu)越的受力性能和建筑表現(xiàn)力。

(2) 對復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)進行非線性設(shè)計和分析、穩(wěn)定分析、防連續(xù)性倒塌分析和不平衡吊掛荷載分析。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)各項計算指標均滿足規(guī)范要求，并具有足夠安全冗余度以保證結(jié)構(gòu)安全。

(3) 高風壓作用下拉索可維持足夠索力不松弛，屋面變形可控。相關(guān)索節(jié)點傳力清晰，背錨節(jié)點有利于現(xiàn)場張拉施工。下弦拉桿在初始態(tài)到荷載態(tài)的全受力過程中拉壓變向，下弦桿受力滿足不同荷載狀態(tài)需求。

(4) 復(fù)合張弦桁架結(jié)構(gòu)體系的受力特性使得現(xiàn)場有更有效率的施工方式選擇，張拉施工快捷方便，地坪、屋蓋施工互不干擾。