上海世博会主题馆结构设计与施工方面的思考

主题馆作为2010年上海世博会"一轴四馆"核心建筑群的重要组成部分,是国内最大跨度展厅之一。针对屋盖跨度大、整体结构超长且平面不规则等问题,对屋盖结构体系选型和下部框架支撑体系选型进行了详细比选,最终,屋盖采用由新型索撑张弦桁架与立体桁架组成的长度为270m的4跨连续梁结构,下部钢框架采用了钢-黏滞阻尼支撑形成的混合支撑框架体系。在结构设计阶段以及施工过程中,针对施工中的一些关键技术问题进行了详细研究,主要包括126m跨度张弦桁架的施工张拉过程以及关键节点设计,屋盖支座施工过程释放,以及大跨度预应力楼面的施工张拉问题。1 建筑概况2010年上海世博会主题馆(以下简称主题馆)为上海世博会一轴四馆核心建筑群的重要组成部分。主题馆东西向总长288m，南北向总宽216m，地上建筑面积约8.0万m2，地下建筑面积约4.8万m2。主题馆建筑造型围绕里弄、城市屋面肌理的构思，运用折纸的手法，形成二维平面到三维立体空间的过渡转换，如图1所示。主题馆设计包括3个国内之最:①最大跨度建筑，西侧2，3号展厅为180m-126m矩形大跨度无柱空间;②最大单体太阳能屋面，太阳能板面积达3万m2;③最大绿化墙面，东西立面生态绿化墙面面积达6 000m2。世博会主题馆建筑平面呈矩形。根据建筑功能，将主题馆上部空间依次分为西侧展厅、中庭、东侧展厅，在南北两侧分别布置挑檐，建筑平面布置如图2所示。其中，西侧展厅为126m-180m室内无柱大空间，是国内最大跨度展厅之一，室内空间如图3所示;东侧展厅东西向跨度为90m，跨中沿南北向布置一列柱子，将东侧展厅分隔成2个跨度为45m的空间，室内主要为2层结构，局部设置夹层作为辅助用房;中厅位于东、西侧展厅之间，东西向跨度为36m;南北两侧挑檐悬挑长度为18.9m。建筑东西向立面和南北向立面如图4所示。主题馆屋面面积约6万m2，6个V形折板单元沿南北方向组成波浪形屋面(见图4a)，每个折板单元波长36m，矢高3m，波脊标高26.3m，波谷标高23.3m，V形折板表面太阳能板按菱形图案布置，如图5所示。2 结构概念设计2.1屋盖结构设计2.1.1西侧展厅屋盖结构体系选型西侧展厅大跨度屋盖结构体系的成功设计是该项目取得成功的关键。方案设计阶段，针对主题馆屋面建筑造型以及西侧展厅屋面超大结构跨度，提出了单向张弦桁架、双向张弦桁架、巨型框架3种屋面结构方案。1)单向张弦桁架方案，如图6所示。该方案沿屋盖东西向共布置了9榀跨度126m的张弦桁架。张弦桁架上弦刚性结构为正三角形立体桁架，高3m，宽3m;下弦设置2根拉索，加强整个结构的承载刚度，克服单根拉索直径大、索力高、节点构造和施工张拉困难等缺点。每根拉索由3个索段组成折线形，折点处通过两组8.5m高的空间V形撑杆体系与上部桁架梁连成整体，形成11.5m高的张弦桁架。两组空间V形撑杆沿跨度居中布置，整个126m跨桁架变成由中部两组索撑构成弹性支撑的三跨连续梁。相对于传统张弦结构的多撑杆索撑体系，该索撑体系对刚性弦的弹性支撑和卸载作用更为集中，预应力效率更高，整个结构的承载性能更为优越。2)双向张弦桁架方案，如图7所示。考虑到西侧展厅平面投影为144m-180m的矩形，长宽比为1∶0.8，故希望采用双向传力的方式提高屋面竖向刚度，减小跨中的竖向位移。通过与建筑师协调，在西侧展厅中部沿180m方向增加纵向张弦桁架。3)巨型框架方案，如图8所示。沿屋盖126m跨度方向，中间间隔18m布置一道巨型框架，框架梁高8m，矢跨比为1∶15.7，采用人字形腹杆布置方式;两侧框架格构柱截面高度结合西侧展厅两侧辅助用房取9m，格构柱腹杆采用交叉斜杆式布置，以有效传递水平剪力;为进一步提高巨型框架的竖向刚度，在梁、柱相交处设置斜撑。表1屋盖结构方案比较3种结构方案性能比较如表1所示。从结构效率来看，巨型框架结构高度小，竖向刚度大，效率最高;而双向张弦桁架方案与该方案设计初衷相反，纵向张弦桁架不仅没有帮忙，反而成为累赘，结构效率很低，结构用钢量较单向张弦桁架方案大大增加。产生上述现象的原因主要是，在巨型框架结构方案中，梁线刚度远远小于柱线刚度，因此本结构中巨型框架梁相当于两端固结梁，故结构竖向刚度很好;而双向张弦桁架方案中，纵向张弦桁架方案跨度达到了180m，而结构的高度仅能做到11.5m，矢跨比为1∶15.6，纵向张弦桁架自身的竖向刚度已经不足以满足变形要求，反而成了屋盖结构的累赘。从对下部结构影响来看，张弦桁架方案在竖向荷载作用下为自平衡体系，可以释放屋盖结构对下部结构的推力，降低下部支承结构设计难度;巨型框架方案柱底反力在最不利荷载工况下达到1 940kN，上部结构对基础的推力是较难处理的问题。从对建筑效果的影响来看，张弦桁架方案中，通过运用纤细的拉索，经两道撑杆架起126m跨度立体桁架，整个屋盖刚柔并济，室内建筑效果较好，且考虑到张弦桁架下部拉索中部拉平将最大限度地减少使用人群的视觉阻碍，将有利于主题馆西侧展厅世博会后多功能使用要求;巨型框架方案中格构柱的交叉腹杆对建筑辅助用房使用功能有较大影响，结构布置与建筑功能冲突较多，建筑空间利用率低，因此否定了该方案。基于上述分析与比较，西侧展厅屋盖结构采用单向张弦桁架结构体系既能满足结构性能要求，又能实现建筑形态和结构造型的协调统一。2.1.2屋盖结构布置在确定西侧展厅屋盖张弦桁架结构体系后，从屋面形态特点、结构效率以及东、西侧屋面结构的延续性等方面考虑，将西侧展厅张弦桁架中上弦正三角形立体桁架向东侧屋面延伸，从而形成了长度为270m的四跨连续张弦梁(见图4a)。屋面檩条及支撑的平面布置如图9所示。在相邻的两榀桁架之间，布置间距为3m的方钢管檩条作为屋面围护结构的支承结构，檩条一端支承在三管桁架的上弦，另一端支承在三管桁架的下弦，自然地实现了屋面的波浪造型(见图4b)。除中庭屋面，在檩条平面内满堂布置刚性交叉支撑，中庭部分屋面支撑采用钢拉杆。建筑A,W轴的外侧南北挑檐外挑约18.9m，结构的悬挑跨度大，而屋盖的主桁架沿东西向布置，挑檐悬挑方向与主桁架垂直，无法利用主结构外伸进行悬挑。结合建筑的立面设计，在南北立面距A,W轴16.2m处设置2排人字柱作为挑檐悬挑端的支承结构，人字柱间距为36m。与人字柱的布置对应，沿东西向每隔36m设置一榀悬挑主桁架，根部上、下弦分别支承在边桁架上弦和框架柱头上，悬挑端支承在人字柱上。沿东西向在人字柱柱头以及悬挑主桁架跨中设置2榀连续桁架作为挑檐次结构的支承结构。在悬挑主桁架之间，平行于悬挑主桁架每隔3m布置一榀平面桁架梁作为挑檐次结构(见图10)，其根部支承在A,W轴边桁架，外端支承在连续桁架上。2.2柱间支撑体系设计由于建筑功能的需要，主题馆为错层结构，西侧展厅为单层无柱超大空间，东侧展厅及中庭为两层空间，且局部存在夹层，整个结构东西两侧的刚度、质量不协调;同时，为了满足室内空间使用效果以及屋面结构的整体性，主题馆主体钢框架结构不设缝，这就造成了在水平地震作用下，整个框架结构不可避免地发生较大的扭转变形。其次，超长结构温度效应问题较突出。主题馆东西向长度达到了288m，超出了规范限定的150m限值，温度应力的影响不容忽视。基于上述考虑，本结构支撑的设计原则为:①在合理的位置布置柱间支撑，在提高抗侧刚度的同时能有效提高结构的抗扭刚度;②柱间支撑的设置位置和形式选择，应避免出现温度应力过度集中;③支撑的设置位置要与建筑功能布局相协调。上述刚性支撑方案有效地提高了结构刚度，减小了地震作用下的水平和扭转变形，但同时也存在以下问题:①设置钢支撑体系后，东西向层剪力比纯框架增大约25%，南北向层剪力比纯框架增大约30%;②结构的温度效应明显增加。由于南北向支撑均布置在框架端部，支撑间距达到了136m，由温度作用引起与支撑连接的框架柱的轴力，由纯框架的120kN增加至2 600kN，而框架梁的内力也增加了50%，结构的温度内力导致相关构件和柱脚设计困难。