康巴演艺中心屋盖结构设计

刘宝元

（厦门立格钢构技术有限公司，福建 厦门361009）

1 工程概况

康巴演艺中心位于昌都市卡若区野堆村，重庆·三江原生态文化城。本工程地上3 层，地下1 层，建筑高度为20.7m，为多层公共建筑，总建筑面积为17 671m2，主要作为展览、演艺、餐饮用房和活动场地。

本工程抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组第三组，场地类别II 类，抗震设防类别为乙类[1]。主体结构为多层钢框架结构，屋盖结构为大跨空间交叉桁架膜结构，平面投影为矩形，长跨方向97.2m，短跨方向68.8m，主桁架为三角空间桁架，并沿短向设置稳定次桁架，2 个方向桁架形成12 个伞形膜。

2 屋盖结构特点及模型概况

2.1 结构特点

为满足建筑造型要求，本屋盖选取了较大的伞形组合，单伞最大面积达到760m2，最小的伞560m2。屋盖采用三角形空间管桁架为受力结构，若桁架两端均固定，会对下部结构产生巨大的推力和弯矩，需要较大的柱截面才能满足要求，会影响建筑功能和美观，且下部建筑为分体结构，与屋盖的位移协调难以保证。为解决上述问题，桁架支座采用一端固定铰支座，一端滑动铰支座。

2.2 模型概况

本屋盖采用3D3S 进行计算分析，屋盖计算模型如图1 所示。长向共4 榀主桁架，分别为主桁架1～4，主桁架两侧各2 处支座，支座间跨度为8.1m、81m、8.1m。各桁架主要信息如表1 所示，杆件材质为Q345B。主桁架剖面如图2 所示。

图1 屋盖结构模型

图2 主桁架剖面

表1 各榀桁架概况

由于主桁架跨度较大，为减小对下部结构产生的过大荷载，桁架左侧支座设置为固定铰支座，右侧支座设置为滑动铰支座。为了便于进行对比分析，将实际结构模型编号为模型1；将模型1 中支座均改为固定铰支座，其余条件与模型1 一致的模型编号为模型2；将模型1 中支座均改为固定支座（刚接），其余条件与模型1 一致的模型编号为模型3。

2.3 荷载条件

屋面荷载考虑了屋面自重、活荷载、雪荷载、风荷载、地震作用、温度作用、马道灯光设备荷载和膜预张力。其中结构自重由软件自动考虑，屋面活荷载0.3kN/m2，马道灯光设备恒载1.2kN/m2、活载1.0kN/m2，膜预张力3.0kN/m, 雪荷载、风荷载、地震作用均按荷载规范取值，升、降温度均按30℃考虑。本屋盖为开敞结构，是对风荷载较为敏感的结构，风载体形系数按CECS 158:2015《膜结构技术规程》中附录A.0.2 条取值：伞形膜风载体型系数，且考虑单坡屋面的不利影响，进行包络设计。风载体型系数取值如图3 所示。

图3 风载体型系数取值

2.4 预应力施加分析

本项目屋盖覆盖材料为膜材，膜材本身不具有基本刚度和形状，即在自然状态下不具有承载能力，只有对膜材施加预应力才能获得结构承载必需的刚度和形状[2]。膜曲面形状最终必须是在满足一定边界条件、一定预应力条件下形成的力学平衡，并以此为基准进行膜结构的荷载分析。本屋盖依据膜面单体大小和荷载情况，膜预应力取值3.0kN/m，通过调整膜内索索力，最终找形出符合建筑模型的膜面形状，并进行了膜预应力分析。膜找形初始态应力如图4 所示。

图4 膜找形初始态应力

3 结构分析

3.1 预应力施加前后对比

由于屋盖结构在钢结构吊装完毕后进行膜的安装（即膜张拉），因此，膜张拉前结构处于无应力状态，膜张拉后膜对钢构产生拉力，使结构整体处于预应力张紧状态。这2 种状态下屋盖各杆件应力比均满足设计要求。其中主桁架1 下弦杆应力比由0.378 提高到0.484，上弦杆应力比由0.414 提高到0.531。根据计算结果，桁架弦杆应力比提高了近30%，因此，可以看出，膜预应力的施加使结构自身产生了较大的内力。

3.2 动力特性

屋盖结构前6 阶振型均为整体振型，本文给出前4 阶振型特征，如表2 所示。

表2 屋盖振动模态

3.3 结果分析

在承载能力极限状态下计算构件应力比。经计算，结构构件应力比最大值为0.841，均满足要求。

在正常使用极限状态下验算结构挠度，本工程控制荷载组合为：1.20 恒载+1.40 活载+1.40×0.6 风载+1.4×0.6 降温，屋盖竖向变形最大点位于主桁架2 中跨，为139mm，相对挠度为1/582。为改善屋盖外观条件，主桁架要求预先起拱，起拱大小为恒荷载标准值加1/2 活荷载标准值所产生的挠度值，结构最终变形能满足规范要求。

3.4 各模型对比分析

为考察各种边界条件对下部结构和对屋盖支座水平推力、竖向挠度和杆件应力的影响，进行了3 种模型的对比分析，分析结果如表3 所示，限于篇幅，表中各数据提取自主桁架3，各项均取所有工况的包络最大值。

表3 模型对比（主桁架3）

由各模型对比分析可见，若支座固定，屋盖受荷载后杆件应力较大，且对下部结构产生巨大的水平推力和弯矩，下部结构设计难度较大；若释放支座位移，屋盖杆件自身的内应力得到释放，杆件应力变小，下部结构主要承受竖向荷载，容易设计，跨中挠度虽有增加，但还在设计允许范围之内。

4 支座节点分析

作为上部桁架结构与下部结构的连接构件，支座节点是钢结构体系的重要元素之一。其主要功能是可靠地将上部结构的内力集中传递到下部，同时还可以起到释放某些内力（水平推力、不利弯矩）的作用，以避免下部结构处于非常不利的复杂应力状态。

本工程主立柱、斜立柱和撑杆在支座处交汇，为改善受力环境，在支座处增加半球体，各杆件均交汇于半球体上。为此，采用有限元软件对该处支座进行了节点分析，各杆件内力采用各组合下杆件内力最大值。采用壳单元对该节点进行了有限元分析，分析结果中的SEQV（等效应力）应力云图如图5 所示。由图5 可见，在设计荷载作用下，主立柱应力较小，斜立柱应力达到了170MPa，半球壳体应力均小于102MPa。在立柱与半球体的连接处存在应力集中现象，由于该处存在焊缝区，且考虑到材料的塑性，该处应力难以达到计算值。由支座节点分析可知，支座能满足结构要求，且具有较大的安全储备。

图5 支座节点等效应力云图（单位：MPa）

5 结语

通过对康巴演艺中心膜结构屋盖进行分析，可以得到以下结论：

1）膜结构工程分析前，应对膜施加预应力，进行膜找形，得到需要的建筑形状；张紧状态下的膜布才具有抵抗荷载的能力。

2）膜布预应力传递给钢结构后，结构杆件产生了内应力，最终使结构用钢量增加。

3）通过设置固定铰支座和单向滑动铰支座释放内力，调节屋盖对下部结构的不利影响。

4）通过节点有限元分析，得出屋盖支座处节点在设计荷载作用下处于弹性阶段，满足设计要求。