某露天剧场看台预应力钢结构屋盖设计
吴文奇；某露天剧场看台顸应力钢结构屋盖设计
某露天剧场看台预应力钢结构屋盖设计
吴文奇
（北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京
１０００３９）
摘要：预应力钢结构是应用于大跨度空阗鲒构俸系的重要蛄掬形式，在目内外均具有十分广连的应用前景。但谊类建筑的结构形式往往较为复杂，各个结构之间的受力特点不尽相同，目前关于该结构的设计规范、技术规程等并不完善。通过对某露天剧场看台预应力钢结构屋盖设计过程的描述，详细介绍了顿应力钢结构从结构选型、荷戴计算到计算分析的奎过程．为同类姑构的设计提供有益参考。美键词：张弦粱Ｉ预应力钢蛄构Ｉ索蛄构
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１工程概况
某剧场位于安徽省黄山市郊，剧场设计之初并没有考虑看台使用钢结构屋盖，当在剧场看台施工完毕后，出于演出的需要在该看台上部增加钢结构
屋盖，主要用于剧场维亚和水幕等表演的支撑结构，同时兼作看台屋盖。钢结构屋盖平面呈梯形，梯形长底边约８８ｍ，短底边约７７ｒｌｔｍ。梯形高约２１ｍ，钢结构屋盖的平面布置见图ｌ。
４４０００
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２结构设计２．Ｉ姑构整体布置
ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１２（７）。Ｖ０１．２７．Ｎｏ．１６１
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圈１露天剧场看台隘盏平面布置
作者ｔ吴文奇，男．１９７０年出生。工程师．Ｅｍｅｉｌ：ｗｗｑ—ｗｏｒｋ＠ｓｉｎＢ．ｃｏｍ收稿Ｉ】期，２０１２一０２－２２
由于看台已经施工完毕．且看台结构并没有考
２９
工程设计
虑新增钢结构屋盖荷载．设计时新增钢结构屋盖应用三角形钢管桁架，桁架高１．８ｍ。柱为格构式钢
管桁架柱，钢管桁架柱由４根主管及其之间的连接钢管组成。
２．２预应力张弦粱主桁架设计
根据结构整体布置情况，该屋盖结构主要由与柱相连的前后两榀主桁架及若干榀次桁架组成，其
与原看台结构分开，形成独立结构。另外，出于演出
和观众观看需要．看台前部需形成较为开阔的视野．不能有任何遮挡视线的物体。
根据现场条件，采用４根柱子分两排布置在看台两侧，前后两排柱子之间采用大跨度预应力张弦粱相连（最大跨度８８ｍ）．前后两榀张弦粱之间布置次桁架，为了确保屋盖在水平荷载作用下的稳定性，在屋盖结构柱顶与地面之间布置双向预应力拉索，屋面围护结构采用轻质膜结构（ＰＴＦＥ）。
结构主体构件均采用钢管桁架，前后两榀预应
中前排主桁架受荷面积太子７０％，桁架跨度达
８８ｍ，后排主桁架跨度７７ｍ。前后两榀均采用体
外预应力双弦结构．即张弦梁结构。本次设计充分
考虑根据张弦梁结构的受力特点．张弦梁上弦采用轻便的三角形钢管桁架，下弦采用预应力钢索。桁架高度约２．５ｍｔ索垂度约５ｍ．详见图２。
力张弦梁的上弦采用三角彤钢管桁架。次桁架也采
蓼
其参数计算如下。形状比：
掣骂型雩ｉ堕＋！蛳，赶蛏犁驾土型■』Ⅲ！掣掣！型＋业生型驾业●盟Ｌ丝生ｉ』！＋型世Ｉ章
卑竺竺础芒兰竺譬竺哿竺型竺蔷兰竺竺篮已竺竺！§％兰型
幽２主衙架立Ⅲ
多数情况下，１根索的承载能力能够满足使用要求，此时第２根索可视为第１根索的备用和第２道设
＊一ｎ鞋；０．０８５
ｆ
（１）
防．体现了建筑结构的多道设防思想，更重要的是便
于维护和更换。因此，主桁架张弦拉索采用较为可靠的双索方案．主索由１６：７０级２ｘ１３９｝７半平行锕丝柬组成。
式中；＾为上弦桁架高度；＾为索垂度；ｚ为张弦粱跨度。
ｈ下弦刚度比为：
Ｐ
ｒ
口２毒子“０００
面面积。
９６
（２）
３有限元计算分析３．１有限元模型
本次设计采用有限元模拟的方法对结构整体模型进行计算分析．结构模型按照实体１：１比例建
式中：Ｅｎ为上弦桁架弹性模量；ｊ。为上弦桁架截面
等效惯性矩；￡，为索材料弹性模量；Ａ。为索等效截
其形状比Ｆ为０．０５～０．１．剐度比ｄ为ｌｏ１～
１０
立．主次桁架及柱弦杆采用Ｂｅａｍ１８８单无，桁架腹
杆采用Ｐｉｐｅｉ６单元，索栗用ＬｉｎｋＩＯ单元。主桁架与柱之间采用铰接节点，其他节点采用刚接节点。其整体有限元模型如图３所示。
４较为合适‘１：。根据主桁架的受荷面积及使用
荷载在屋盖上的分布情况．估计作用在主桁架单位
长度上的荷载约为３０Ｎ／ｍｍ，其合理预应力为：
丁。＝州２／［８（ｆ．＋，１）］
式中：ｑ为等效线荷载估计值。
由式（３）汁算合理预拉力约为４８
５００
（３）
ｋＮ．由此
推算单根索体直径达１５０ｍｍ，琐拉力施加难度较大。考虑到该索截面由结构晟不利状况确定．亦即
在绝大多数情况下，桁架索力远小于设计索力．但对
单索而言．在施工或使用过程中如有损伤或出现缺
陷．则不便维护．更不能更换。若采用双索方案．大
３０
铜结构２０ｌ２年苹７期第２７喜总茅１６ｌ期
昊支奇：莱露天剧场看台预应力钢结构屋盖设计
３．２屋盖结构恒我
屋面恒载主要包括两个部分：一是屋面次结构及膜结构自莺，在设计计算时按０．３ｋＮ／ｍ２取值，
获取准确的结构风压分布需要进行风洞试验。但由
于条件受限，风压分布参照其他已建成的类似建筑及ＧＢ５０００９－－２００１（＜建筑结构荷载规范》ＨＪ．见图４，
施工时或在施工过程中严格控制在设计值范围内ｌ二是演出马道自重（包括水幕水箱自重）．根据水幕
厂家提供，数值为１２０ｋＮ。３．３屋盖结构活栽
屋面活载包括屋面悬挂小型设备、演出马道上的灯光音响设备、水幕水饪存水量、演出马遭的工作人员、维亚表演演员（１５人）、热身演出演员，其中维亚表演和热身演出不会同时进行。
屋面悬挂小型设备按照均布活载取０．３ｋＮ／ｍ２，平均每个节点的悬挂活载不能超过２．５ｋＮ｝演出马道上的灯光音响设备和水幕水箱存水量均布在马道悬挂节点上，每个节点的荷载为７．７ｋＮ；演出马道的工作人员按照５人计算，作用于最不利两个节点（马道中部两个节点），每个节点上的荷载为
１．７５
屋盖结构体型系数最终取值为：左向来风时，枷＝
一１．３（风吸），∥ｎ＝一０．５（风吸）；右向来风时，Ｐ。ｓ＝１．３（风压），＿‘￡。＝０．５（风压）。
ｎ
ｌ一屋盖前部｛２一屋盏后部臣４屋盏结构飘压分布
３．５雪载及地震作用
根据ＧＢ５０００９—２００１，该地区５０年一遇基本雪压为０．４５ｋＮ／ｒｎ＇，雪压系数为１．０．考虑到近几年我国南方地区雪灾频发，本工程基本雪压按照
０．５５
ｋＮ；维亚表演１５人，均布在马道悬挂节点上，
并考虑１．３的动力系数，因此每个节点上的荷载为
１．１
ｋＮ；热身演出表演１０人。考虑１．３动力系数．作
用于６个节点上．每个节点共计１２．５ｋＮ。３．４屋盖结构风栽
其中风载较为复杂，黄山地区５０年一遇基本风压为０．３５ｋＮ／ｍ２，周围地貌为Ｂ类地貌，膜结构风
ｋＮ／ｍ２考虑。由于黄山地区为非抗震地区，
故本次设计不考虑地震作用。３．６荷载工况组合
按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进
振系数取１．２【…。由于屋盖结构体型相对复杂，要
行设计，其荷载工况组合见表１。
襄１艇盖结构荷羲工况
由于该结构明显受荷载控制．故本次设计不考虑恒载控制工况。
应力如表２，以及各工况下的主桁架弦杆、腹杆应力
及索力应力包络图如图５、图６。根据ＧＢ
５００１７－－２００３
《钢结构设计规范》¨Ｊ，Ｑａ４５－Ｂ壁厚不大于１６ｍｍ，杆
４计算结果
４．１
件设计应力为３１０ＭＰａ，因此各杆件应力均未超出
承戴能力极限状态验算设计应力，满足规范要求。另外．最大索力出现在工
况１，索力为６１４ＭＰａ，钢丝束强度约为最大索力的２．７２倍．安全储备较高，比较安全［６］。
采用通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ１０．０进行４种工况下的计算分析。得出各工况下各类杆件的最大
ＳｔｅｅＪＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１２（７）．Ｖ０１．２７．Ｎｏ．１６１
３１
工程设计
襄２各工况下的杆件量大应力
工况ｌ工况２１况３
ｉｌ
２恒ｄ－ｌｄ活＋Ｉ
４ｘ（０
６ⅢＭ十０７雪）７请＋ｏ７莒）
２０Ｚ１９０２０ｉ
３８３５３６
６１４５８２６１０
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２恒十ｌ４止风Ｔｌ
４雪＋１
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４ｘ（Ｏ
７活＋ｏ６Ⅲ风ｌ
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４７ｔ）４抽ｎ７ｈ■１１８７３
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Ｌ－－４
日一腹杆；ｂ弦杆ｌｃ索
囤５工况１屋盖主赞量ＪＪ构件应力分布ＭＰａ
“Ｉ（，２４３２
ｍＩ＂拍Ｍ
７２８２
主桁槊下弦钢索计算截面位置／ｍ
ｃ
４．２正常使用极限状态验算
通过采用有限元分析计算．得出各工况下结掏的侧移及竖向变形如表３和图７所示，结构风载下的最大侧移为５１ｍｍ，满足ＣＥＣＳ２８０：２０１０１＜钢管结构技术规程舭７３关于钢管结构的侧移限值（Ｈ／４００＝
６２
ａ主桁架下弦；ｂ主桁架麒轩．ｃ一主柑颦索
１
Ｔ况１．２１：况２｛３一Ｉ况３；４
Ｔ况４
刚６备ｒ挑下膣盖主望受山掏件的应力曲线
之间的连接通过一组球铰支座完成，两个球铰支座一个为固定的，另一个可以滑动和转动，即万向球铰支座（图８）。万向球铰支座主要由上顶盖板（上支座板）、不锈钢位移板、聚四氟乙烯滑板、中间球型钢芯板、聚四氟乙烯球型板、下支座板和上下固定连接螺栓等组成。
考虑到张弦结构索力较大，端部节点是张弦结
ｍｍ）；根据ＧＢ５００１７—２００３”。关于屋面桁架挠
度限值为Ｌ／４００（＝２２５ｍｍ）．该结构主粱跨中竖向为１５７ｒａｌｎ．小于规范限值，满足要求；屋盖悬挑部分最大挠度为１４ｍｍ，满足规范限值（２ｄ／４００＝２５ｒａｍ）要求。
５张弦桁架支座
连接节点是本次设计的难点之一．张弦梁与柱
构的重要部位，为了降低机械加工产生的残余应力的不利影响．该部位采用铸钢铸造而成（图８）。
铜站构２０１２年第７期弟２７喜总年１６１期
吴文奇：某牵最剧场看台预应力蛔蛄构压盖设计
秽秽秽
ａ长向｝ｂ一短向；ｃ竖向
阿７
【况６屉盖结构舂向爿移ｍｍ
２）张弦梁的选型：根据荷载状况、设计跨度、结构用途等冈素．确定预应力锕结构形式，设计预拉力值．另外，从结构霞要性、使用过程中的维护、施【便利程度等方面，确定时主桁架采用双索方案．方便施工的同时体现ｒ结构设汁的多道设防思想。
３）荷载计算：根据该屋盖的使用需要，详细介绍了各类荷载的计算方法、加载方案及各类荷载之
罔８
ＦＩｑ辟铰支唪“愈
间的组合工况。另外，着重分析了对结构起控制作用的风载设汁方法。
４）两种状态Ｆ的设计计算：根据现行规范要
６张弦桁架的施工
本工程张弦桁架结构跨度大、竹点构造复杂．对结构的施工安装精度提出广更高的要求．也增加．ｒ钢结构的施１二难度。根据目前同内外同类工程的施工经验．大喇张弦桁架结构常用的施ｒ方法主要有拼装施Ｉ：法、滑移施１‘法、整体吊装法、整体提丌法和整体顶升法等。奉Ｉ：程施工场地狭小．［Ｌ看台施
求．分别对纳构承载能力饭限状态和正常使用极限状态的工作性能进行ｉ｜算分析。训算结果表明：两种状态下结＿｜句承载力均满足相关规范要求。
’考文献
［１］刘航悱补顶鹰力“惶结构（张檀攀）设１１打啦椰试验研兜
［Ｒ］北水ｚ北ｊ；ＬｔＨ建筑ｒ程研究院计限栅任公・目．２００５［ｚ］刘航体外威脚山审问般弦纬拘ｍ线性分析口］钢结构．２００４．
１９¨｝ｚＩ４
Ｉ６
工已经完成．不能承受扦ｊ槊的施Ｉ．菏载，拼装施Ｊ：
法、滑移施【．法、整体顶升法均不适合．因此整体吊装法和整体提列浊比较适合。
［钉莳明蠢太州张珐罐结构的泣Ｉ｝‘Ｊ娩ｌ术ｆ｜；版¨．２００５
ｆＭ］济南：…球科学蕞
［４］ｃｒｂ
５０００９５０１）ｊ７
２００Ｉ
建毓站恂衙藏规１ｎ［Ｓ３
７结论
１）结构布矬：由丁：现场条件受限．腻盖结构选型时采用经济、可靠、外形美观的大踌度预应力空间结构体系．该结构跨度大．能够满足使用需要。
Ｌ５］ＧＢ２００３钢蚺构殴ｉ｜规范ＩＳ］
［６］埽ｍ政埔戊山补陶艘沦‘・盹Ｉｌｌ［Ｍ］北京巾Ｉ目建筑ｌ业ｍ版
｝Ｉ：．２００ｓ
［７］ＣＥ（＇Ｓ２８０－２０１０钢竹结构技术规程ＣＳ］
ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０ｌ２（７）．Ｖ．１２７．Ｎｏ１６