中博會主會場主體結構設計與其特有技術

尹 琦

2011年9月，中部六省博覽會在山西省順利召開。作為本次博覽會的主會場，太原煤炭交易中心——展覽中心采用了大跨度的相貫線管桁架，在全國的同類結構中跨度最大。筆者有幸參與了本工程的設計施工全過程，現將工程設計及施工的情況及采用的特有技術簡要介紹如下。

1 工程概況

煤炭交易中心位于太原市長風西大街南側，在項目地址的北面是麗華大廈，南面是長風商務區綠島文化平臺。項目的東側、南側分別為山西省博物館，大劇院，圖書館等建筑。展覽中心作為煤炭交易中心的中心建筑，整個建筑平面為圓環形，宛如一塊玉璧，契合了山西省的古文化、晉文化的精髓。

展覽中心整個建筑直徑約為260 m，內環直徑為19 m，建筑高度為27 m。采用鋼框架的結構形式:屋面采用相貫線管桁架，內外環分別用兩排鋼柱支撐跨度達到87 m的屋面，內環鋼柱為16根，外環為56根。整個展覽中心屋面投影面積約52 000 m2。結構三維模型布置見圖1，結構剖斷面見圖2。

2 結構計算分析

鑒于本工程的復雜性，計算采用了Midas，Ansys兩個三維空間結構分析軟件進行了主體結構分析、樁基承臺分析、整體結構分析。而后，又進行了節點受力分析、屈曲分析等內容。主體結構及圍護次結構的總用鋼量約為11 290 t。

3 基礎設計

根據本工程的結構受力特點，鋼柱腳受到豎向的荷載，鋼柱最大豎向軸力約為15 000 kN;在風力和地震力的組合下又受到上拔力作用，最大值約為6 000 kN，并且基礎承受一定的水平推力。所以在樁基設計時考慮了多種荷載狀態下的樁基受力，并選取了后壓漿混凝土灌注樁及承臺的樁基形式?；炷凉嘧稑堕L為42.45 m，要求其單樁豎向承載力特征值為4 600 kN;抗拔承載力特征值為2 300 kN。經過樁、土、基礎的復合計算，滿足了最大水平推力?，F場試樁能夠較好的滿足設計要求。

4 主體結構設計施工采用的特有技術

4.1 相貫線管桁架焊接節點

為了展現鋼管的美觀，本工程鋼管采用了現場空間相貫焊接的形式。16種桿件規格、最大管件直徑達到1 400 mm、最大節點交匯處有十根桿件之多。設計時對節點進行了多種計算復核，包括根據《空心管結構設計連接設計指南》的計算、有限元計算等等。相貫節點實例見圖3。

4.2 屋蓋與柱連接的鑄鋼節點

由于在超大跨度下柱頂支座受力很大，計算最大連接板厚度達到160 mm厚，并且柱節點位于26 m的高空，施工極為不便，并且施工質量不好保證，所以節點連接采用了銷軸連接并且選用了鑄鋼節點的節點形式。鑄鋼節點采用了Ansys有限元計算軟件進行分析，設計時參考了德國標準。鑄鋼節點實例見圖4。

4.3 同步預調節點

在大跨結構的前提下，并且在相關設備荷載的制約下，屋蓋撓度超過了規范允許的屋蓋變形值290 mm。但是柱剛度增加對基礎不利;梁剛度增加又顯得結構笨重，增加了耗鋼量，于是采用了同步與調節點的辦法，釋放了屋蓋約束，在屋蓋結構下撓、外推時再將結構鎖死。此技術也采用Ansys軟件進行了預分析，將跨中選取的吊裝節點和制作的所有節點同時預調。圖5為預調示意圖。

4.4 針對溫度效應的分析

溫度應力也是本工程影響結構設計施工的很大因素。本工程屋面直徑很大，達到260 m，溫度變化將會對結構產生很大變形，影響到結構的安全與經濟。依據氣象資料及施工情況，主體結構合龍溫度為(15±5)℃，暫定結構整體溫度升高30℃。溫度應力影響結構的屋面主體結構的變形和屋面覆蓋層金屬屋面板的變形兩個方面。經過有限元分析，得知屋面主體結構的變形影響到外環鋼柱的最大側移為31 mm，小于h/300=52.6 mm。升溫30℃時，最大整體變形也只有31 mm，次要桿件的變形也只有1 mm～3 mm。而施工裝備誤差為5 mm。經過計算表明，由溫度引起的結構位移還是在規范和施工誤差的范圍內，下料也可根據理論計算下料。第二個方面是屋面覆蓋的金屬屋面板的溫度收縮，通過一定間距的天窗，并且裝配時有一定縫隙來解決屋面金屬板的溫度收縮問題。整個屋面開設了2 000個天窗，每個天窗抬高屋面，而計算屋面溫度產生的脹縮最大值也只有880 mm，較好的解決了溫度問題。

4.5 過載保護幕墻技術

本工程內環采用玻璃幕墻，單層幕墻高度達到20 m，面積超過3 000 m2。其荷載較大，連接在主體結構上，對主體結構和基礎的影響也較大。為了減輕如此龐大的幕墻對結構的影響，幕墻系統采用了過載保護幕墻技術。幕墻結構采用單向索支結構體系，在幕墻結構下部設置過載保護器，上部與主體鋼結構鉸接。鋼拉索施加20 t預張力，保證結構的抗震抗風及承受豎向荷載的性能，并且增加了幕墻體系的安全系數，對主體結構的影響較小。

5 結語

通過采用特有新技術，精心設計精心施工，煤炭交易中心——展覽中心順利的竣工，并且在中博會中發揮了重要作用，成為太原市的新地標建筑。而新的技術也取得了美觀、經濟、安全的較好效果。