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1、特種結構990 40 8特種結構 SPECI A L ST RU CT U RES 1999年 第16 卷 第4期 Vo l . 16 No . 4 1999一個球形建筑物的結構設計方案探討高娃石東升摘要本文介紹了一個球形建筑物的結構設計。重點介紹了結構方案的選擇及內力計算方法。 關鍵詞球形建筑物結構設計內力計算Discussion about a Globular Building Construction Design Gao Wa Shi Dongsheng (Architectural Engineering Dept.,Inner Mongolia Polytechnic Unive2、rsity)ABSTRACTIn this paper ,the structural design(Include the structural style and internal force calculation) of a globular building is introduced. KEYWORDSGlobular building Structural design Internal force calculation一、建筑方案概述 如圖1所示，是內蒙古工業大學能源研究所自然能源村的展覽中心。該建筑位于呼和浩特市北郊，呼包高速公路以北。本建筑選擇了形似太空工作站的球體造型，3、為了擺脫周圍樹木對建筑物的遮擋，又將其用3根斜柱托出地面6 m ，以便于遠處觀賞。f i l e : / / / E| / q k / t z j g / t z j g 99/ t z j g 990 4/ 990 40 8 . h t m （第 15 頁）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45萬方數據特種結構990 40 8圖1圖2建筑物球體直徑為12 m ，內部分為2 層。第1層為設備層，第2 層為展覽大廳，如圖2 。球體中心，從地下實驗室到球體內第2 層樓板處，有一根中空柱，作為設備管道井。整個建筑物中部有一圈外窗，廳中無柱，以保證使用功能。 建筑物外型由16 根經向肋和7 4、根緯向肋構成，肋截面形狀為長梯形。建筑物總造價要求控制在30 萬元以內，工期3個月。 二、結構設計方案選擇 1. 根據上述建筑方案要求，結構設計方案選擇有以下幾個困難： ( 1) 建筑物投資少，工期短，選擇方案時既要考慮經濟性，又要照顧工期，應盡可能選擇施工速度快，造價低的結構形式。 ( 2 ) 結構傳力途徑復雜，整個球體重量由3根斜柱支撐，柱腳推力大。 ( 3) 該建筑物形體復雜，主要由曲面和曲桿構成，不符合建筑模數，施工難度大，設計時須考慮施工的方便與可能。 2 . 結構方案選擇 根據工期、造價要求及設計難度，擬定了以下5種方案： ( 1) 鋼筋混凝土現澆方案此方案擬采用鋼筋混凝土現澆全部5、球體( 包括肋) ，此方案優點是整體性好，變形小，易于防水裝修，但施工工期長，異型模板及腳手架用量大，施工費用高；結構重量大，加劇柱腳推力，故不宜采用。 ( 2 ) 全鋼爆炸球方案此方案采用鋼球爆炸成型技術，將球體成型后，再進行焊接、切割等裝飾處理，這種方法雖說施工簡便，但鋼材用量大，造價高，不宜采用。 ( 3) 鋼筋混凝土裝配式后加預應力方案此方案將經、緯向鋼混凝土肋全部分段預制，拼裝后施加預應力。此方案考慮全現澆異型模板用量大的缺點，將現澆混凝土改為預制，由于構件種類有限，采用預制件模板可以重復使用，減少模板費用。裝配結構整體性差的不足，可采用沿經向緯向施加后張預應力的方法給予彌補。此方案6、施工工期短，鋼材用量少，結構變形小，但施工難度大，吊裝設備占用時間長，總造價仍偏高，不易采用。 ( 4) 鋼構架方案本方案將經向、緯向肋作為承重構件，由鋼構架焊接而成，球壁掛G RC輕型保溫板，鋼構架由機械廠加工成形，由建安公司進行拼裝。此方案施工工期短，不需模板，施工難度小，結構自重小，保溫性能好，但鋼材用量較大。 ( 5) 鋼網架方案此方案是用球型鋼網架構成整個球體，然后外掛墻板及裝飾肋。此方案用鋼量小，結構輕巧，但不易滿足建筑物上開門窗和外形裝飾的要求，加之網架造價高，異形桿件多，加工工期長，所以該方案總體造價也較高，不宜采用。 三、結構的力學模型及內力分析 這里重點討論實際設計所選方案7、( 4) 的內力計算。 本建筑由鋼結構和鋼筋混凝土結構兩部分組成，下半部分是鋼筋混凝土結構，由3根斜柱支撐一個環梁構成，上半部分是鋼結構，由16 根經向肋和7 根緯向肋縱橫交叉形成空間桿系。下半部分的鋼筋混凝土結構計算較為簡單，限于篇幅這里不予討論。上半部分鋼結構計算可按彈性薄壁空間理論分析，可以采用有限元法或有限條法，這樣得出的結果精確，但計算復雜、工作量大，而且需要大型計算機和專用軟件，不容易實現。 考慮到該結構荷載比較簡單，主要為豎向荷載，即結構自重。水平風荷載很小，f i l e : / / / E| / q k / t z j g / t z j g 99/ t z j g 990 8、4/ 990 40 8 . h t m （第 2 5 頁）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45萬方數據特種結構990 40 8僅為0 . 38 k N/ m2。水平地震作用對球體影響不大，主要作用于鋼筋混凝土結構，對鋼結構的影響可忽略不計。在豎向荷載作用下，可將球體簡化為平面體系，利用結構力學的方法來計算。根據該結構的特點簡化的力學模型如下( 如圖3所示) ；同一平面的2 個經向肋形成1個大半圓拱的結構。拱腳與鋼筋砼環梁相連，可視為固結。因為結構、荷載對稱故取一半計算，如圖4所示。這樣整個結構簡化為1個半圓曲桿。曲桿用結構力學方法來分析仍不方便，如圖5所示，將曲桿離散成一段段的直桿9、，把連續分布的荷載化成多個集中荷載，這樣得出的結果與圖4曲桿相近( 可以通過增加劃分直桿數來減少誤差) ，可以滿足工程設計要求。在微型計算機上用自編的矩陣位移法程序求解，得出的結果如圖8 所示。圖3圖4圖5圖6 圖7f i l e : / / / E| / q k / t z j g / t z j g 99/ t z j g 990 4/ 990 40 8 . h t m （第 35 頁）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45萬方數據特種結構990 40 8彎矩包絡圖( k N.m ) 軸力包絡圖( k N) 剪力包絡圖( k N) 圖8由上圖結果可知，不考慮緯向肋支撐作用，其下部10、支座彎矩較大，達到了354k N*m ，不利于截面設計。緯向肋對整個結構的作用是很大的，考慮其影響，計算簡圖按圖6 所示選用。經上機計算，得出結果如圖9。軸力包絡圖( k N) 彎矩包絡圖( k N.m ) 剪力包絡圖( k N) 圖9考慮到實際中個別緯向肋可能失效起不到應有的約束作用，可把圖6 的簡圖修改成如圖7 形狀，去掉幾個橫向約束，其內力分析結果如圖10 所示。f i l e : / / / E| / q k / t z j g / t z j g 99/ t z j g 990 4/ 990 40 8 . h t m （第 45 頁）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45萬11、方數據特種結構990 40 8軸力包絡圖( k N) 彎矩包絡圖( k N.m ) 剪力包絡圖( k N) 圖10比較圖9和圖10 可知，考慮緯向肋的約束作用，得出的彎矩和剪力要比不考慮緯向肋作用小得多，得出的軸力較大，顯然這個結構是可以滿足設計要求的。根據此內力結果，作出桿件截面設計。 四、結束語 在建筑結構設計中，結構方案的選擇對體現建筑造型、造價的控制以及施工的難易有很大影響，結構計算方案的確定關鍵是力學模型的建立。在工程設計中，力學模型的建立應力求簡單符合實際，以便于分析計算，作出最佳結構設計。作者單位：內蒙古工業大學建筑工程系呼和浩特0 10 0 6 2參考文獻1 龍馭球、包世華，結12、構力學( 上下冊) ，人民教育出版社198 1 2 建筑結構荷載規范( G BJ9-8 7 ) ，中國建筑工業出版社198 9 3 建筑抗震設計規劃( G BJ11-8 9) ，中國建筑工業出版社198 9 4 歐陽可慶，鋼結構( 上下冊) ，同濟大學出版社198 6 5 鐘萬勰、丁殿明、程耿東，計算桿系結構力學，水利電力出版社198 2f i l e : / / / E| / q k / t z j g / t z j g 99/ t z j g 990 4/ 990 40 8 . h t m （第 55 頁）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45萬方數據一個球形建筑物的結構設計方案探討一個球形建筑物的結構設計方案探討作者：高娃， 石東升， Gao Wa， Shi Dongsheng作者單位：內蒙古工業大學建筑工程系,呼和浩特010062刊名：特種結構英文刊名：SPECIAL STRUCTURES年，卷(期)：1999,16(4) 參考文獻(5條)參考文獻(5條)1.鐘萬勰;丁殿明;程耿東 計算桿系結構力學 19822.歐陽可慶 鋼結構 19863.GBJ 11-1989.建筑抗震設計規劃 19894.GBJ 9-1987.建筑結構荷載規范 19895.龍馭球;包世華 結構力學 1981 本文鏈接：http:/