1、特种结构990 40 8特种结构 SPECI A L ST RU CT U RES 1999年 第16 卷 第4期 Vo l . 16 No . 4 1999一个球形建筑物的结构设计方案探讨高娃石东升摘要本文介绍了一个球形建筑物的结构设计。重点介绍了结构方案的选择及内力计算方法。 关键词球形建筑物结构设计内力计算Discussion about a Globular Building Construction Design Gao Wa Shi Dongsheng (Architectural Engineering Dept.,Inner Mongolia Polytechnic Unive
2、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 如图1所示，是内蒙古工业大学能源研究所自然能源村的展览中心。该建筑位于呼和浩特市北郊，呼包高速公路以北。本建筑选择了形似太空工作站的球体造型，
3、为了摆脱周围树木对建筑物的遮挡，又将其用3根斜柱托出地面6 m ，以便于远处观赏。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 页）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45万方数据特种结构990 40 8图1图2建筑物球体直径为12 m ，内部分为2 层。第1层为设备层，第2 层为展览大厅，如图2 。球体中心，从地下实验室到球体内第2 层楼板处，有一根中空柱，作为设备管道井。整个建筑物中部有一圈外窗，厅中无柱，以保证使用功能。 建筑物外型由16 根经向肋和7
4、根纬向肋构成，肋截面形状为长梯形。建筑物总造价要求控制在30 万元以内，工期3个月。 二、结构设计方案选择 1. 根据上述建筑方案要求，结构设计方案选择有以下几个困难： ( 1) 建筑物投资少，工期短，选择方案时既要考虑经济性，又要照顾工期，应尽可能选择施工速度快，造价低的结构形式。 ( 2 ) 结构传力途径复杂，整个球体重量由3根斜柱支撑，柱脚推力大。 ( 3) 该建筑物形体复杂，主要由曲面和曲杆构成，不符合建筑模数，施工难度大，设计时须考虑施工的方便与可能。 2 . 结构方案选择 根据工期、造价要求及设计难度，拟定了以下5种方案： ( 1) 钢筋混凝土现浇方案此方案拟采用钢筋混凝土现浇全部
5、球体( 包括肋) ，此方案优点是整体性好，变形小，易于防水装修，但施工工期长，异型模板及脚手架用量大，施工费用高；结构重量大，加剧柱脚推力，故不宜采用。 ( 2 ) 全钢爆炸球方案此方案采用钢球爆炸成型技术，将球体成型后，再进行焊接、切割等装饰处理，这种方法虽说施工简便，但钢材用量大，造价高，不宜采用。 ( 3) 钢筋混凝土装配式后加预应力方案此方案将经、纬向钢混凝土肋全部分段预制，拼装后施加预应力。此方案考虑全现浇异型模板用量大的缺点，将现浇混凝土改为预制，由于构件种类有限，采用预制件模板可以重复使用，减少模板费用。装配结构整体性差的不足，可采用沿经向纬向施加后张预应力的方法给予弥补。此方案
6、施工工期短，钢材用量少，结构变形小，但施工难度大，吊装设备占用时间长，总造价仍偏高，不易采用。 ( 4) 钢构架方案本方案将经向、纬向肋作为承重构件，由钢构架焊接而成，球壁挂G RC轻型保温板，钢构架由机械厂加工成形，由建安公司进行拼装。此方案施工工期短，不需模板，施工难度小，结构自重小，保温性能好，但钢材用量较大。 ( 5) 钢网架方案此方案是用球型钢网架构成整个球体，然后外挂墙板及装饰肋。此方案用钢量小，结构轻巧，但不易满足建筑物上开门窗和外形装饰的要求，加之网架造价高，异形杆件多，加工工期长，所以该方案总体造价也较高，不宜采用。 三、结构的力学模型及内力分析 这里重点讨论实际设计所选方案
7、( 4) 的内力计算。 本建筑由钢结构和钢筋混凝土结构两部分组成，下半部分是钢筋混凝土结构，由3根斜柱支撑一个环梁构成，上半部分是钢结构，由16 根经向肋和7 根纬向肋纵横交叉形成空间杆系。下半部分的钢筋混凝土结构计算较为简单，限于篇幅这里不予讨论。上半部分钢结构计算可按弹性薄壁空间理论分析，可以采用有限元法或有限条法，这样得出的结果精确，但计算复杂、工作量大，而且需要大型计算机和专用软件，不容易实现。 考虑到该结构荷载比较简单，主要为竖向荷载，即结构自重。水平风荷载很小，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 页）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45万方数据特种结构990 40 8仅为0 . 38 k N/ m2。水平地震作用对球体影响不大，主要作用于钢筋混凝土结构，对钢结构的影响可忽略不计。在竖向荷载作用下，可将球体简化为平面体系，利用结构力学的方法来计算。根据该结构的特点简化的力学模型如下( 如图3所示) ；同一平面的2 个经向肋形成1个大半圆拱的结构。拱脚与钢筋砼环梁相连，可视为固结。因为结构、荷载对称故取一半计算，如图4所示。这样整个结构简化为1个半圆曲杆。曲杆用结构力学方法来分析仍不方便，如图5所示，将曲杆离散成一段段的直杆
9、，把连续分布的荷载化成多个集中荷载，这样得出的结果与图4曲杆相近( 可以通过增加划分直杆数来减少误差) ，可以满足工程设计要求。在微型计算机上用自编的矩阵位移法程序求解，得出的结果如图8 所示。图3图4图5图6 图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 页）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45万方数据特种结构990 40 8弯矩包络图( k N.m ) 轴力包络图( k N) 剪力包络图( k N) 图8由上图结果可知，不考虑纬向肋支撑作用，其下部
10、支座弯矩较大，达到了354k N*m ，不利于截面设计。纬向肋对整个结构的作用是很大的，考虑其影响，计算简图按图6 所示选用。经上机计算，得出结果如图9。轴力包络图( k N) 弯矩包络图( k N.m ) 剪力包络图( k N) 图9考虑到实际中个别纬向肋可能失效起不到应有的约束作用，可把图6 的简图修改成如图7 形状，去掉几个横向约束，其内力分析结果如图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 页）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45万
11、方数据特种结构990 40 8轴力包络图( k N) 弯矩包络图( k N.m ) 剪力包络图( k N) 图10比较图9和图10 可知，考虑纬向肋的约束作用，得出的弯矩和剪力要比不考虑纬向肋作用小得多，得出的轴力较大，显然这个结构是可以满足设计要求的。根据此内力结果，作出杆件截面设计。 四、结束语 在建筑结构设计中，结构方案的选择对体现建筑造型、造价的控制以及施工的难易有很大影响，结构计算方案的确定关键是力学模型的建立。在工程设计中，力学模型的建立应力求简单符合实际，以便于分析计算，作出最佳结构设计。作者单位：内蒙古工业大学建筑工程系呼和浩特0 10 0 6 2参考文献1 龙驭球、包世华，结
12、构力学( 上下册) ，人民教育出版社198 1 2 建筑结构荷载规范( G BJ9-8 7 ) ，中国建筑工业出版社198 9 3 建筑抗震设计规划( G BJ11-8 9) ，中国建筑工业出版社198 9 4 欧阳可庆，钢结构( 上下册) ，同济大学出版社198 6 5 钟万勰、丁殿明、程耿东，计算杆系结构力学，水利电力出版社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 页）2 0 10 -3-2 3 9: 36 : 45万方数据一个球形建筑物的结构设计方案探讨一个球形建筑物的结构设计方案探讨作者：高娃， 石东升， Gao Wa， Shi Dongsheng作者单位：内蒙古工业大学建筑工程系,呼和浩特010062刊名：特种结构英文刊名：SPECIAL STRUCTURES年，卷(期)：1999,16(4) 参考文献(5条)参考文献(5条)1.钟万勰;丁殿明;程耿东 计算杆系结构力学 19822.欧阳可庆 钢结构 19863.GBJ 11-1989.建筑抗震设计规划 19894.GBJ 9-1987.建筑结构荷载规范 19895.龙驭球;包世华 结构力学 1981 本文链接：http:/
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