1、第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS220059 第第一一作作者者:高颖,硕士,正高级工程师,主要从事复杂结构设计研究,Email:gao.ying 。青岛伊甸园温室馆软土地基大跨度钢拱壳结构关键技术研究高 颖1,杨想兵1,白 杨1,汤光海1,王永刚2,马千里2,甘 明3,陈 伟4(1 悉地国际设计顾问(深圳)有限公司,北京 100013;2 青岛东方伊甸园文化旅游开发有限公司,青岛 266000;3 北京市建筑设计研究院有限公司,北京 100084
2、;4 SBP 施莱希工程设计咨询,上海 200422)摘要:青岛东方伊甸园温室馆位于海边盐碱地,整体高度约 57.4m,结构呈“水滴形”。钢屋盖短向跨度 133.5m,长向跨度 193m,上覆 ETFE 气枕。本项目面临风荷载为主控的结构选型,大跨度钢拱壳结构外推力的有效平衡,软土高腐蚀性地基的不利影响的处理,钢结构节点的设计等众多技术难题。结合本工程的成功实施,介绍了位于软土地基上的大跨度钢拱壳结构所遇到的问题、解决方法和采用的关键技术。重点介绍了主控荷载作用下结构形体参数化找形、钢结构构成逻辑、整体结构设计理念、针对高腐蚀性的软弱地基处理策略、钢结构关键节点设计方法、钢结构屈曲稳定分析、场
3、心地基处理对被动桩的有利影响。结果表明:结构设计合理,经济安全。关键词:大跨钢结构;单层网壳;ETFE 气枕;典型节点设计;软土地基 中图分类号:TU973.16,TU973.23,TU393.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0071-08引用本文 高颖,杨想兵,白杨,等.青岛伊甸园温室馆软土地基大跨度钢拱壳结构关键技术研究J.建筑结构,2023,53(13):71-78.GAO Ying,YANG Xiangbing,BAI Yang,et al.Research on key technology of large-span steel arch shell
4、 structure on soft soil foundation of Qingdao Oriental Eden GreenhouseJ.Building Structure,2023,53(13):71-78.Research on key technology of large-span steel arch shell structure on soft soil foundation of Qingdao Oriental Eden Greenhouse GAO Ying1,YANG Xiangbing1,BAI Yang1,TANG Guanghai1,WANG Yonggan
5、g 2,MA Qianli2,GAN Ming3,CHEN Wei4(1 China Construction Design International Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2 Qingdao Oriental Eden Culture Tourism Development Co.,Ltd.,Qingdao 266000,China;3 Beijing Architecture Design and Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100084,China;4 Schlaich Bergermann Partne
6、r(SBP),Shanghai 200422,China)Abstract:Qingdao Oriental Eden is located in a saline and alkaline land by the sea.The overall height of the greenhouse is 57.4 meters,and the overall structure is in a“water droplet shape”.The steel roof has a short span of 133.5 meters and a long span of 193 meters,and
7、 is covered with ETFE membrane.The project faces numerous technical challenges such as wind load dominated structural selection,effective balance of external thrust of large-span steel arch shell structures,treatment of adverse effects of soft soil and highly corrosive foundations,and design of spec
8、ial steel structure joints.Based on the successful implementation of this project,the problems encountered,solutions,and key technologies adopted in the large-span steel arch shell structure on soft soil foundation were introduced,with a focus on the parameterized shape finding of the structural for
9、m under the action of the main control load,the logic of steel structure composition,the overall structural design concept,the treatment strategy for high corrosive soft soil foundation,the design method for key joints of steel structure,and the buckling stability analysis of steel structure,the ben
10、eficial effect of core foundation treatment on passive piles.The results show that the structural design is reasonable and economically safe.Keywords:large-span steel structure;single layer grid shell;ETFE membrane;typical joint design;soft foundation 1工程概况 青岛东方伊甸园位于青岛市高新区海边盐碱地,其中温室馆为最大的建筑单体,建筑外观为近椭
11、圆的“水滴形”,建筑效果见图 1,内部功能用房示意图见图 2。温室馆屋盖最大高度约 57.4m,长轴193m、短轴 133.5m(图 3),用地面积 33 840m2,建建 筑 结 构2023 年筑面积 34 133m2,其中地上建筑面积 27 000m2,地下建筑面积 7 133m2。温室馆钢屋盖采用拱形桁架+单层网壳结构,覆盖材料采用 ETFE 气枕。室内包含多个混凝土大跨度单体建筑,各单体之间的屋盖仅在0.00 标高与地下室顶板或基础地梁连接。室内单体建筑采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构;包装及体验游艺项目屋盖为异形空间钢结构,二者屋盖通过预埋件连接。图 1 青岛东方伊甸园温室馆效果图图
12、2 温室馆内部功能用房示意图本项目基础采用预应力高强混凝土管桩,场地存在 3.56.3m 的淤泥质土,温室馆室内大部分为景观填土区域,景观堆土厚度为 1.58m。按照施工组织,需在主体结构施工完成后再进行场内回填土的工序。后续堆载下会导致场内范围淤泥质土沉降变形较大,土体推力对相邻的主体结构管桩会产生向外的水平剪力,因此在该部分高填土下方通过桩网复合地基处理的方式减小地基变形沉降及其他不利影响。同时为避免土体推力产生的水平剪力直接传递到支撑大跨度钢屋盖的桩基上,在钢屋盖两侧环梁往内两跨范围内设置刚性混凝土板+管桩。2钢屋盖设计2.1 拱形桁架与单层网壳 钢屋盖1由拱形桁架以及单层网壳组成,见图
13、4。四片单层网壳支承在拱形桁架结构上,拱形桁架作为主要抗侧力构件,在竖向和水平方向上支承单层网壳。由于风荷载是钢屋盖的主要控制荷载,为减小风荷载效应,通过风洞试验对温室馆全年的外部风场进行研究,发现温室馆南侧的最高风速要远高于其他方向的最高风速。所以选择了“水滴形”的流线造型作为钢屋盖整体造型,南侧为其平面尺寸最小的一侧,南北轴线沿着强风向放置。同时将拱形桁架在平面上设置成 X 形,并通过调整柱脚的间距得到有效的结构水平抗侧力体系。单层网壳结构的几何外形是采用力密度法对单层网壳进行找型的结果。通过试算不同矢高下单层网壳在风荷载下的受力规律,达到构件弯矩较小、刚度较好、材料的利用率最大化的设计目
14、标,确定结构的最优几何形态。拱形桁架是整个钢屋盖的脊梁,拱形桁架自身桁架高度 5m。拱形桁架在两端分叉形成 X 形平面,以保证结构在垂直于拱平面方向的侧向刚度。单层网壳一边支承在拱形桁架之上,另外一边支承在0.00 标高的环梁之上。单层网壳直线跨度为80、67、46m,如图 4 所示。重力荷载作用下,单层网壳将荷载一部分传递给主桁架,一部分传递给下部混凝土环梁;主桁架把荷载传递给四个混凝土环梁上的支座。重力荷载作用下的传力路径图见图 5。2.2 钢屋盖构件 钢屋盖构件均采用空心圆钢管。拱形桁架弦杆截面 61035 50818,腹杆截面 45710 1686。因建筑效果要求,单层网壳杆件外径接近
15、一致,直径为 406、457、508、550mm。钢屋盖的理论用钢量为 2 660t,投影面积计算用钢量为 136kg/m2,展开面积计算用钢量为 78kg/m2。拱形桁架及单层网壳支座受力较大的位置采用 Q390B 钢材,用钢量为 1 600t,其余部位采用Q345B 钢材,用钢量为 1 083t,不同型号钢材使用位置见图 6。2.3 屋盖覆盖材料 屋盖覆盖材料采用 ETFE 气枕。根据风洞试验结果对气枕进行受力分析,风荷载较大的区域采用较小的网格,风荷载较小的区域采用较大的网格。其中最小网格边长 7.5m,最大网格边长 10.2m,如图 7 所示。每个 ETFE 气枕的上下层膜厚度根据其承
16、受的荷载决定,从而实现膜厚度的最小化。上层膜厚300m2,下层膜厚 300m。27第 53 卷 第 13 期 高 颖,等.青岛伊甸园温室馆软土地基大跨度钢拱壳结构关键技术研究图 3 屋盖钢结构尺寸示意图图 4 钢屋盖构成示意图图 5 重力荷载下传力路径图图 6 不同型号钢材的使用位置图 7 不同风荷载区域单层网壳的网格图 8 环梁布置示意图3计算模型比选 拱形桁架以及单层网壳的支座在重力荷载及其他荷载下均会产生一定的竖向以及水平推力,本项目由于场地环境高腐蚀性的原因,采用的预应力混凝土管桩抗剪承载力较差,故利用桩基本身抵抗屋盖的水平推力是不可靠的。因此,在单层网壳支座下方布置环向型钢混凝土梁(简称环梁),可以有效平衡拱形桁架拱脚推力。同时在拱脚之间设置两道对拉的型钢混凝土拉梁,见图 8。为保证钢屋盖、环梁、地下室及桩基共同受力,变形协调,保证整体结构理论分析结果与实际受力尽量一致,采用以下三个模型进行多工况包络设计,整体模型三维布置图见图 9。模型 1:单层网壳支承在环梁上,采用弹簧支座模拟桩基刚度,桩基的水平弹簧刚度按照试验桩的水平承载力-变形破坏曲线确定,并参考建筑桩基技术规范(J
