新疆大剧院屋盖结构设计

 孔  慧，  李  澈，  刘  枫，  宋  涛，  朱礼敏

 （中国建筑科学研究院，北京100013）

[摘要]  新疆大剧院屋盖由内外两层穹顶嵌套而成。外层穹顶分为南壳和北壳，与内壳形成三个基本独立的结构受力单元。南北壳均为由26榀沿径向均匀分布的竖向桁架组成的近似1/4球；内壳则为由10榀拱桁架组成的拱形曲面。外层穹顶与内层穹顶之间通过立面幕墙连接，形成封闭屋盖系统。为提高结构的整体协同工作能力和稳定性，在不影响建筑效果的前提下，在内外壳设置了不同形式的支撑体系。采用SAP2000软件对比分析了设置支撑与不设置支撑下结构的受力形态和刚度，详细介绍了屋盖结构体系的形成过程、结构受力特征及主要分析结果。分析结果表明设置支撑能显著提高结构的刚度和整体性。

[关键词]  新疆大剧院；空间桁架；屈曲分析；约束屈曲支撑

中图分类号：TU318 文章编号：1002-848X(2016)07-0019-05

1  工程概况

 新疆大剧院外形如同天山下的雪莲，由内外两层穹顶嵌套而成，见图1。外层穹顶（简称外壳）近似为两个1/4球，分为南壳和北壳，形似雪莲的花瓣，外壳建筑高度为72m，平面半径约为56m。内层穹顶（简称内壳）为一个拱形曲面，建筑高度为58m，最大跨度约为90m。内外壳之间通过立面幕墙连接成一封闭屋盖体系。屋盖钢结构部分与上部钢筋混凝土结构脱开，形成独立体系，同时屋盖自身三个壳体之间基本独立，共同坐落于底部平面尺寸为257m x162m的台基上，见图2。

2  外壳

 外壳分为南壳和北壳，在建筑外观上，南北壳为对称关系，近似为两个1/4球。为了充分利用壳体内部空间，在南壳18. 600m高度和47. 300m高度处设置了不同使用功能的走廊，同时根据消防要求，在南壳两端设置了空中飞梯（由6. 500m标高台基上至47. 400m标高展厅）。而北壳则在20. 200m高度和27. 600m高度处设置了走廊。走廊和飞梯的设置导致南北壳的结构布置不对称，且南壳底部设置的高度较大的拱券走廊增加了结构布置和设计的

难度。

2.1结构体系

 结合建筑造型和平面布置，南壳和北壳分别由26榀竖向桁架沿圆心按7.2。排列而成（图3，4），再通过环向桁架（图5）将其连接成为整体（图6）。竖向桁架最底部上下弦间距为4. 7m，往上逐步减小。为了满足建筑在壳面内布置通行走廊的要求，局部桁架节间尺寸较大。在接近穹顶顶部时逐步间隔抽空桁架，并过渡到单层。

2.1.1底部拱券走廊

 图7为大剧院入口处拱券走廊效果图，建筑要求此走廊的高度尽量大，以达到入口宏伟大气的效果。底部弦杆长度过大会造成桁架底部刚度过柔，对结构设计不利。为了达到建筑效果和结构受力的双赢，将底部桁架第一节间的高度提高至结构合理高度，并适当增大底部杆件截面(截面尺寸为ɸ402×16)，同时将原设计的人字形腹杆调整为八字形腹杆并在结构设计中考虑桁架直腹杆弯矩的影响，为建筑装修留下足够的空间，见图8。拱券走廊最终的效果得到了建筑师的认可。

2.1.2壳体走廊设置

 壳体内走廊分两种情况：一种要作为建筑使用空间，另一种仅为观光走廊。对于作为建筑使用空间的走廊，建筑要求其尽量提供较大的空间，避免使用空间过于压抑。而对于观光走廊，建筑要求相对较低，满足一般人群通行即可。为此，对于作为使用空间的走廊，在桁架内采用人字形腹杆布置；而对于观光走廊，则直接通过调整节点高度，满足人群通行要求，见图9。

2.2计算结果

 采用SAP2000( V14.2.4)软件建立外壳三维计算模型（图6），通过计算发现，仅通过环向桁架的约束，各榀竖向桁架之间并不能很好地协同工作，整个壳面的侧向刚度相对较弱。同时，增大环向桁架截面对增加壳面侧向刚度效果并不明显。为此，在各榀竖向桁架之间布置斜撑来增加结构的侧向刚度。为了最大限度地降低结构杆件对建筑造型的影响，最终仅在个别区域（间隔600）布置斜撑，同时在壳面两端位置设置交叉斜撑（图3），加强结构边缘强度，进而加强结构整体性。主要计算结果见表1。通过表1可以看出，增加了斜撑之后，风荷载下的结构顶点位移明显减小，结构的刚度明显增加，斜撑对增加结构侧向刚度和整体性效果明显。

 经计算发现，结构端部桁架的受力明显大于中间榀桁架。故而端部三榀桁架的杆件截面相对较大，弦杆采用ɸ630×16(局部根部弦杆采用ɸ 630×30)，往上逐步减小为ɸ402×16，腹杆主要采用ɸ351×16。中间榀径向桁架底部弦杆以ɸ402×16和ɸ402 x10为主，往上逐步减小为ɸ219×10，腹杆主要采用ɸ299×12，ɸ219 x10，ɸ219×8。环向桁架弦杆主要采用ɸ299 x10，腹杆主要采用ɸ180×8。环向桁架在楼板层采用箱形截面弦杆，便于钢筋桁架楼板施工。依据当地气候条件，钢结构材料选用Q345C。

 计算得出结构在正常使用极限状态组合下的最大竖向位移为153mm，挠跨比为1/732，满足《空间网格结构技术规程》( JGJ 7-2010)（简称空间网格规程）挠度限值（跨度的1/250）要求。

2.3与混凝土结构连接设计

 为了使屋盖钢结构受力简单明确，设计中采取设置变形缝的方法，在受力上尽量将混凝土结构与屋盖钢结构脱开，通过建筑构造保证使用空间的完整性。

 对于必须与屋盖钢结构发生连接的部位，如由大厅通往外壳观光走廊的连廊等，则通过设置水平滑动支座使得屋盖钢结构仅承担连廊的竖向荷载，保证传力简单明确。典型滑动支座节点见图10。

3  内壳

3.1结构体系

 内壳的结构体系主要由横向桁架、环向桁架和大型交叉斜撑组成。横向桁架最大跨度约为90m，最大矢高约为58m，最小跨度约为83m，最小矢高约为50m。结构上下左右均对称，内壳结构俯视图见图11，典型横向桁架布置图见图12。

 在确定内壳横向桁架结构形式的过程中，主要考虑以下问题：

 (1)结构高度小。内壳的外层曲面受到建筑造型的影响不能随意改变，而内层曲面又要考虑给下部展厅留有足够高的使用空间，使得最终留给结构的高度只有1. 8m左右，横向桁架跨高比仅为1/50。

 (2)横向桁架在底部收进。从图12可以看出，横向桁架的最大跨度并不是在其底部，而是往上一段距离。如果将上部看成是一个完整的拱结构，则下部的收进区域将成为上部拱的支座。在拱底巨大推力的作用下，横向桁架底部将会产生很大的内力。

 (3)施工工期紧。由于项目的计划安排，留给结构施工的工期非常紧。

 综合考虑上述因素，在设计中通过以下措施解决：

 (1)桁架的上下弦采用箱形截面，同时考虑结构高度限制问题，采用宽度大于高度的宽扁梁截面。并且在优化过程中保持截面高度不变，仅调整截面宽度和壁厚，既能保证平滑过渡，又能缩短施工工期。

 (2)除横向桁架上下弦外，其余杆件均采用成品圆钢管。可减少构件加工时间，有效节约工期。

 (3)设置大型交叉斜撑。大型交叉斜撑的设置主要解决各榀桁架之间在平面外方向（Y向）刚度较弱及结构整体性较差问题。与外壳设计问题相同，建筑师不同意在窗户位置布置结构杆件，同时由于内壳窗户布置问题，使得在各榀横向桁架之间增设斜撑的方案亦不可能实现。最终尝试采用图11所示的大型交叉斜撑方案，即在结构四周（建筑在这些部位没有布置窗户）设置斜撑形成一个封闭的外圈，再在内部布置X形交叉斜撑，避开窗户，这样交叉斜撑自身形成一个稳定的体系。图13为大型交叉斜撑布置的平面和立面示意图。经过试算，此大型交叉斜撑布置方案效率很高，对提高结构整体性和Y向刚度效果非常明显。内壳三维计算模型见图14。

 (4)屈曲约束支撑。在边榀主桁架之间交叉斜撑的最关键部位，即边榀主桁架的底部采用了32根屈曲约束支撑，其安装位置及形式见图14。屈曲约束支撑与普通钢支撑相比具有以下优势：1）普通钢支撑的抗压承载力明显小于抗拉承载力，支撑截面由受压控制，截面面积大，且增加了结构的刚度，使得结构所吸收的地震力增大，导致柱脚反力加大，使得节点构造困难。屈曲约束支撑拉压性能一样，构件截面可以较小，结构所吸收的地震力也小，节点构造更加简单。2）普通钢支撑在中震、大震阶段会屈曲失稳，导致结构抗侧力体系改变，严重削弱结构的抗震能力；屈曲约束支撑可以保证在大震作用下仍不退出工作，不改变结构的承载力传递路径，确保大震作用下杆件不屈曲，保持结构的稳定性。3）在超烈度地震作用下，屈曲约束支撑具有金属阻尼器的耗能能力，可以充当结构的保险丝，在一定程度上保护主体结构，而普通钢支撑不具有这种能力。

3.2计算结果

 内壳结构在有斜撑和无斜撑两种体系下的周期见表2。由表2可以看出，两种体系下，结构X向周期变化不大，但有斜撑体系Y向周期比无斜撑体系的降低约40%，可见大型交叉斜撑的设置可明显改善结构的Y向刚度。

 经计算分析发现，典型横向桁架的内力分布有两个明显特征：1）横向桁架底部收进部分内力明显大于上部构件；2）横向桁架弦杆在一定高度范围内存在弯矩。

 由于横向桁架底部内力较大，又由于截面尺寸的限制，故而采用增大壁厚的方法来满足要求。底部弦杆截面为口400×600．壁厚30mm，边上两榀弦杆壁厚为50mm。上部构件根据内力变化壁厚由16mm至10mm变化。桁架腹杆在底部受力较大部分仍采用箱形截面口400×600×16×30，上部则采用常规圆钢管截面ɸ194×10。环向桁架上下弦截面以ɸ203 x10为主，腹杆以ɸ194 x10为主。交叉斜撑以ɸ299 x16和ɸ219×10为主。依据当地气候条件，钢结构材料选用Q345C。

 计算得出，结构在正常使用极限状态组合下的最大竖向位移为166mm，挠跨比为1/542，满足空间网格规程挠度限值（跨度的1/250）的要求。

 内壳属于典型的拱壳，取结构的最低阶整体屈曲模态作为初始缺陷的分布形态，将初始缺陷的最大计算值取内壳面跨度的1/300，约为90 000/300= 300mm。根据结构的特征值屈曲分析结果，选取组合（1.0恒+1.0活）作为分析工况。计入壳面初始缺陷的典型节点的荷载．位移曲线见图15。从图15可以看出，结构考虑初始缺陷和几何非线性的极限荷载系数为19. 017倍，满足安全系数K>4.2的要求。

4  立面幕墙结构设计

 立面幕墙连接内外壳，使整个屋盖形成封闭的空间（图2）。幕墙呈月牙形，中部最大高度达17m。为了使结构受力尽量简单，避免内壳与外壳之间发生过多关联。在幕墙骨架设计中主要考虑以下两点：

 (1)只承受拉力的杆件设计：幕墙骨架最大长度达17m，将骨架设计成只承受拉力的杆件可以在避免杆件受压容易失稳的问题同时保证杆件具有较小的截面，保证建筑纤细美观的外形。设计中将幕墙骨架吊挂在外壳下弦，幕墙的竖向荷载全部由外壳承受，水平荷载用内壳和外壳共同承受。

 (2)消化内外壳之间变形差：为确保内、外壳结构相互独立的设计思想，尽量减少幕墙龙骨对内壳和外壳的影响。通过特殊的节点设计，保证内外壳之间的变形不发生传递，使二者独立工作，见图16。长圆孔用来释放内外壳之间的竖向变形差；水平变形差通过销轴节点和关节轴承节点的组合节点来实现。销轴节点保证幕墙面外变形，关节轴承节点能提供面内±3。转角，足以满足内外壳之间的相对变形要求。

5  结论

 (1)为最大限度地满足建筑造型要求，结构需通过反复试算，并在建筑和结构之间找到平衡点，最终确定合理的结构体系。

 (2)斜撑的设置可显著改善结构的侧向刚度和整体稳定性。在设计中可结合建筑布置，在适当的位置布置斜撑以提高结构的刚度和整体性。

 (3)屈曲约束支撑可以显著减小构件截面并且可以保证其在大震作用下仍不退出工作，不改变结构的承载力传递路径，确保在大震作用下不屈曲，保持结构的稳定性。