天津大跨椭球形展厅结构方案对比与分析

位翠霞，田继明，蒋录珍，颜丽娟（.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 05008；.北京威斯顿建筑设计有限公司石家庄分公司，河北石家庄 050000）

天津大跨椭球形展厅结构方案对比与分析

位翠霞1，田继明2，蒋录珍1，颜丽娟1
（1.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；2.北京威斯顿建筑设计有限公司石家庄分公司，河北石家庄 050000）

针对天津某大跨椭球形展厅双向钢拱结构和钢－混凝土组合结构2种方案，对比、分析了两种方案的受力性能、刚度特性、经济指标、碳排放等。结果表明，采用钢－混凝土组合结构进行大跨设计时，可保证与双向钢拱结构相当的受力性能，但刚度、经济指标、碳排放量明显优于双向钢拱结构，是此建筑更适合的选择。

杆件结构；椭球形；钢－混凝土组合结构；钢拱结构；方案对比；刚度；碳排放

1　工程概况

天津北辰区某会展中心，大会议厅与展厅组合一体，展厅设在会展中心南侧，大会议厅设在会展中心北侧。展厅建筑外形呈椭球形[1－2]，平面为椭圆形，总建筑面积2 400m2；椭球沿短轴方向的剖面为椭圆，长轴42m，短轴12m；椭球沿长轴方向的剖面为椭圆，长轴72m，短轴12m；长轴方向最大弧形悬挑长度4.8m。会展中心效果图见图1。

图1　天津某会展中心效果图Fig.1 Effect drawing of an exhibition center in Tianjin

2　结构选型

为达到建筑的椭球形效果，该展厅可供选择的结构方案共有2种形式：双向钢拱结构和钢－混凝土组合结构。

2.1双向钢拱结构

此结构方案以沿椭球面短轴方向布置的钢拱结构为主要承重构件，拱间沿长轴方向布置矩形钢管作为檩条，檩条兼作结构的纵向支撑杆件，以提高拱的平面外稳定性。此外，为了增强结构的防水性能，并增加结构的整体性，以有利于水平荷载的传递，在拱顶部设置方钢管。椭球体沿短轴方向的剖面为一椭圆弧线，因此沿短轴方向布置的拱为椭圆弧形。由于完全椭圆弧形矢跨比太大，而网壳极限承载力随着结构矢跨比的减小逐渐减小[3－4]，故在标高1.500m下，设置竖直杆件，标高1.500m以上，为完全椭圆弧。

图2为结构总体布置图，拱间距8m，大门两侧需设置支撑柱，拱间距4m；共设11榀钢拱，拱的最大跨度为42m，最小跨度为19.24m；为了实现两端大悬挑的效果，设置椭圆弧形斜梁，斜梁与主梁用双层方钢管连接，以满足强度与稳定性的要求[5]。檩条间距根据铝板安装的要求定为1.5m。由于11榀拱的跨度变化较大（19.24～42m），选择统一的拱截面尺寸经济性差，截面尺寸种类太多又导致备料加工的不方便，且不美观。综合考虑以上因素，根据拱的不同跨度，采用不同尺寸的组合截面，各杆件截面尺寸见表1。

图2　双向钢拱结构总体布置图Fig.2 Overall two－way steel arch structure layout

表1　双向钢拱结构主要构件截面尺寸Tab.1 Section size of the bars in two－way steel arch structure

2.2钢－混凝土组合结构

以沿椭球长轴方向布置的拱结构为主要承重构件，利用会议厅及展厅中的混凝土柱作为钢拱支撑，沿椭球短轴布置工字型钢梁兼做结构的纵向支撑杆件，垂直短轴方向设置方钢管作为檩条。图3为其结构总体布置图，屋盖采用压型钢板，主钢梁每隔约7.5m设置1道，次钢梁约4m设置1道，在雨篷处取消次钢梁，并且雨篷两侧钢柱采用箱形柱，抵抗双向的不平衡弯矩。混凝土柱将连续椭圆形主钢梁隔开，形成分段式拱形梁，使每段钢梁温度应力分配到与之相连的混凝土柱上，从而避免产生过大的温度应力，造成支座失稳甚至结构破坏[6－8]。各构件截面尺寸见表2。

图3　钢－混凝土组合结构总体布置图Fig.3 Overall Steel－concrete composite structure layout

表2　钢－混凝土组合结构主要构件截面尺寸Tab.2 Section size of the bars in steelconcrete composite structure 　mm

3　结构方案对比分析

3.1基本参数

结构分析软件采用Midas，建立的双向钢拱结构计算模型同图2，钢－混凝土组合结构计算模型同图3。图2和图3中所有的钢结构构件材料均采用Q235，混凝土材料采用C30，所有单元均为三维梁单元。考虑到拱结构的承载能力对其边界条件十分敏感，拱脚支座处的微小变位就会导致其承载能力的显著降低[9]，因此图2和图3拱支座均设为固接支座，图3中梁与混凝土的连接均为固接。

该展厅结构计算时考虑的荷载[10]有：屋面恒荷载0.32kN／m2，包括镀锌冷弯檩条、PE膜隔气层、超细玻璃棉板自重；屋面活荷载0.5kN／m2；屋面雪荷载，50年一遇基本雪压0.4kN／m2；风荷载，50年一遇基本风压0.5kN／m2，地面粗糙类别为B类；地震作用，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）仅需考虑水平地震作用，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期在多遇地震和设防地震时，取Tg＝0.55 s[11]；温度作用[10]，50年重现期的月平均最高气温35℃，月平均最低气温－12℃，结构最高初始平均温度20℃，最低初始平均温度15℃，对于图3的钢－混凝土组合结构，顶部采用分段式拱形梁，每段钢梁温度应力分配到与之相连的混凝土柱上，温度应力较小，故忽略温度作用的影响。

3.2结构性能和经济指标对比

双向钢拱结构计算时，共考虑了屋面恒荷载＋屋面活荷载、屋面恒荷载＋屋面活荷载＋左风、屋面恒荷载＋屋面活荷载＋温度作用等6种荷载效应组合工况[10]。钢－混凝土组合结构计算时，共考虑了屋面恒荷载＋屋面活荷载、屋面恒荷载＋屋面活荷载＋左风等5种荷载效应组合工况。对图2和图3两种结构形式，结构的内力和变形均取决于中间最大跨度的单榀拱，其变形图分别如图4和图5所示，计算结果如表3所示。

图4　双向钢拱结构中最大跨度单榀拱竖向变形图Fig.4 Deformed shape of the longest span arch in the two－way steel arch structure

图5　钢－混凝土组合结构中最大跨度单榀拱竖向变形图Fig.5 Deformed shape of the longest span arch in the steel－concrete composite structure

由表3可以看出，在相同的荷载作用下，钢筋－混凝土结构和双向钢拱结构两种结构方案中构件应力相差不大，均满足强度（即安全性）的要求[12－14]。而钢－混凝土组合结构的刚度约为双向钢拱结构的2.3倍，最大竖向变形不到双向钢拱结构的43%，且钢材总用量及单位面积用钢量节省约50%，刚度和经济指标均明显优于双向钢拱结构。

表3　两种结构方案计算结果对比Tab.3 Comparison of results for two structure schemes

3.3碳排放量对比

建筑的碳排放包括建筑原材料碳排放、运输阶段碳排放、施工阶段碳排放、建筑正常使用和维护的碳排放、建筑拆除及回收利用的碳排放[15]。由于此工程为1层，两种结构方案的施工阶段碳排放量差异较小，同时建筑使用及拆除阶段的碳排放与结构形式的相关性很小[16]，故本文主要对该工程的原材料碳排放和运输阶段碳排放进行分析，以突出对比两种不同结构方案对建筑碳排放的影响。

在原材料碳排放计算中，对于混凝土这种复合材料，考虑其原材料的碳排放量，分解成水泥、砂、石子（水不考虑排放）3种原材料排放量。本文中的原材料碳排放因子及数据均来源于文献[15]。在运输阶段碳排放计算中，钢材由唐钢运送至天津，铁路运输115km，公路转运30km；其余材料均采用公路运输，水泥、砂、石子由开采地至生产厂的距离为60 km，混凝土由商混站至工地距离为60km。两种结构方案的碳排放量对比如表4所示。

表4　两种结构方案碳排放量对比Tab.4 Comparison of carbon emission for two structure schemes

由表4可以看出，在同样满足结构性能的前提下，相比于双向钢拱结构，钢－混凝土结构可降低碳排放量359.7t，约合37%，具有明显的低碳节能优势。

4　结 语

结合实际工程，对椭球形壳体两种不同的结构布置方案进行了对比分析，得出如下结论。

1）采用钢－混凝土组合结构形式，相对于双向钢拱结构在受力方面相差不大，而刚度约提高了1.3倍，最大竖向变形不到双向钢拱结构的43%。

2）采用钢－混凝土组合结构形式，钢材总用量及单位面积用钢量比双向钢拱结构节省约50%，经济指标明显优于双向钢拱结构。

3）采用钢－混凝土组合结构形式，相比于双向钢拱结构，可明显降低结构碳排放量约37%，具有一定的低碳节能优势，符合中国节能减排的发展要求。

经过对两种结构方案的受力性能、刚度特性和经济指标、碳排放等方面的比较，最终确定采用钢－混凝土组合结构方案。本文可为类似结构设计提供一定的参考。

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Comparison and analysis of structure schemes for a large span ellipsoid exhibition hall in Tianjin

WEI Cuixia1，TIAN Jiming2，JIANG Luzhen1，YAN Lijuan1
（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2.Shijiazhuang Branch，Beijing Western Architectural Design Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Aiming at the two design schemes of the two－way steel arch structure and the steel－concrete composite structure for a large span ellipsoid exhibition in Tianjin，the paper compares and analyzes their mechanical behavior，stiffness characteristic，cost－efficiency and carbon emission，etc..The results show that the steel－concrete composite structure used for large span building can gain the mechanical behavior similar to the two－way steel arch structure，but its stiffness characteristic，cost－efficiency and carbon emission are better than that of the two－way steel arch structure，so it is more suitable for the building.

truss structure；ellipsoidal；steel－concrete composite structure；steel arch structure；scheme comparison；stiffness characteristic；carbon emission

1008－1534（2016）01－0073－05

TU391

A

10.7535／hbgykj.2016yx01014

2015－08－20；

2015－10－23；责任编辑：冯 民

国家自然科学基金（51308182）；河北省自然科学基金（E2014208143）；河北省建设科技研究指导性计划项目（2014－226）；石家庄市科技支撑计划项目（11123511）

位翠霞（1982—），女，河南安阳人，一级注册结构工程师，硕士，主要从事大跨度空间结构方面的研究。

E－mail：kjweicui＠163.com

位翠霞，田继明，蒋录珍，等.天津大跨椭球形展厅结构方案对比与分析[J].河北工业科技，2016，33（1）：73－77.

WEI Cuixia，TIAN Jiming，JIANG Luzhen，et al.Comparison and analysis of structure schemes for a large span ellipsoid exhibition hall in Tianjin[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（1）：73－77.