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      青島大劇院屋蓋鋁板格柵設(shè)計與施工(上)

      來源:中國幕墻網(wǎng)  作者:趙西安等  日期:2009-8-13
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      摘要:青島大劇院屋蓋鋁板格柵工程量巨大,其中鋁板格柵截面高度達到7m,其結(jié)構(gòu)新穎,設(shè)計施工難度大;本文介紹了屋蓋鋁板格柵的設(shè)計和施工方法,以及在設(shè)計施工過程中遇到的重點和難點的解決辦法。
      關(guān)鍵詞:鋁板格柵 開縫 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
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        本文作者:劉祥峰 張桂平 趙西安   

      圖01 青島大劇院屋蓋格柵效果圖

        1.青島大劇院概述
        1.1工程概況
        青島大劇院位于青島嶗山區(qū)云嶺路以西、梅嶺路以南、香港東路以北、世紀大道以東,該項目的建成即將成為美麗迷人的石老人景區(qū)乃至青島市的一處地標性建筑。青島大劇院的設(shè)計者是德國GMP建筑師事務(wù)所,國內(nèi)項目合作單位為上海華東建筑設(shè)計院。

        大劇院分為大劇場、音樂廳和多功能廳、接待培訓中心和表演藝術(shù)交流中心四部分。四個主要功能部分可獨立開放而不相互干擾,通過格柵銀頂自然的連接,形成有分有合、四面開敞的布局,與周圍的廣場、綠茵、道路融為一體。

        2.2建筑意圖
        整體建筑為象形的云霧繚繞的嶗山,大劇院主體是“嶗山”,架設(shè)在建筑上的鋁板格柵意為漂浮在“嶗山”上面的“白云”。表示山體的高低錯落的立面幕墻采用灰色花崗石干掛,而寓意云彩的屋蓋格柵采用白色鋁合金單板包覆。

        2. 格柵系統(tǒng):

        2.1系統(tǒng)簡介
        青島大劇院屋蓋板格柵底部最低點標高為18.820米,最高標高為25.370米,總面積約:117800平方米;鋁板格柵截面高度最小為2.5m,最大接近7m,寬度為400mm;鋁板格柵立面分格新穎,包覆材料采用3mm厚鋁單板,鋁板可視寬度一般在1369mm,高度最大達到5300mm,表面處理為3涂層PVDF(如圖02、圖03)。

        平面上相互交錯的格柵夾角并非直角,且存在多種形式的弧形;格柵立面高低變化,層次豐富;每根格柵在端部都有不同程度的轉(zhuǎn)折變化,格柵相交時為保證標高的統(tǒng)一,格柵的頂部和底部收口板為空間板。

      圖02  鋁板格柵局部

        

      圖03  格柵穿插局部

      圖04  屋蓋格柵平面區(qū)域圖

        2.2 系統(tǒng)構(gòu)造
        鋁板格柵豎龍骨為5號槽鋼橫龍骨為L50*4角鋼;在節(jié)點設(shè)計的過程中堅持安全第一、構(gòu)造防水、不露釘?shù)脑瓌t,創(chuàng)造性的使用不打膠的開縫式插接的固定方式,面板通過連接在鋁板上的鋁型材用M5螺釘固定在橫梁上,鋁板在邊部設(shè)計折邊,安裝時折邊插接在專用設(shè)計的鋁型材中起到固定作用(如圖05)。

      圖05  格柵典型截面圖

        鋼材和鋁型材連接處設(shè)置4mm厚橡膠墊,防止電化腐蝕的同時也實現(xiàn)了柔性連接起到了防震降噪的作用;鋁板安裝采用插接,此部位亦設(shè)計了膠條,避免氣流直接進入幕墻內(nèi)部的措施,并對接縫處的構(gòu)件采取的防振動設(shè)計,因此不會產(chǎn)生由氣流造成的嘯聲或其他不利影響;同時在可能產(chǎn)生位移、摩擦的部位均設(shè)置柔性墊片,避免金屬間的移動而產(chǎn)生的噪音;更有效地防止水的大量涌入,當然腔內(nèi)進入小的毛細水和冷凝水通過科學的設(shè)計,并在鋁板的底部兩邊有規(guī)律的設(shè)置了排水孔引導水的排出。

        3.格柵系統(tǒng)設(shè)計
        3.1 設(shè)計參數(shù)取值
        •基本風壓: W0=0.7KN/m2 (100年取值);

        •基本雪壓: S0=0.25KN/m2;

        •地震設(shè)防烈度:7度;地震動力值加速度:0.1g (按招標文件);

        •地面粗糙度類型:A類;

        •風荷載體形系數(shù)按風洞試驗結(jié)果取值。

        3.2 風洞試驗和主要風力結(jié)果
      屋蓋格柵的方案設(shè)計中風荷載是需要重點考慮的設(shè)計因素。上下通透的整體外形決定了格柵的風荷載與封閉式結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別,并且不同位置的格柵表面風荷載也會有所不同。因此通過風洞實驗來確定該項目的體形系數(shù)就變得非常必要。通過制作鋁板格柵的剛性模型進行風洞模擬實驗,研究不同位置格柵的表面風荷載分布情況,根據(jù)實驗得到不同風向下格柵模型表面的風壓分布,給鋁板格柵系統(tǒng)的設(shè)計提供有力支持。

      圖06

        根據(jù)格柵模型測壓實驗結(jié)果,可將屋蓋格柵項目分為不同的區(qū)域取值,從實驗結(jié)果來看,處于最外側(cè)的格柵風壓分布與其它格柵明顯不同;而格柵的懸挑部分也與其它區(qū)域有所區(qū)別。因此可以將屋蓋格柵劃分為如下四個區(qū)域進行取值,如表1。

      需要注意的是,由于格柵模型沒有模擬出主體建筑對鋁板格柵的影響,所以在確定主體附近的格柵系統(tǒng)時,應(yīng)考慮一定的設(shè)計冗余度。

          單面壓力以垂直表面指向內(nèi)為正;雙面合值的正負則以指向格柵內(nèi)部為正,遠離格柵為負,即:南北向格柵以向西為正,東西向格柵以向北為正。上限值為體型系數(shù)的最大值,下限值則為體型系數(shù)最小值(負壓最大)。

        3.3結(jié)構(gòu)受力分析
        采用風洞實驗的方法確定的體形系數(shù)進行結(jié)構(gòu)分析,鋁板格柵豎龍骨為5號槽鋼,單側(cè)豎龍骨為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式,豎龍骨連接在上下兩根H型鋼上,上部連接為圓孔,采用受拉的受力形式,豎龍骨懸掛在上邊H型鋼上,底邊采用豎向長孔連接,鋼桁架兩側(cè)的豎龍骨用5號槽鋼連接起來形成鋼桁架,提高結(jié)構(gòu)的抗荷載能力,達到整體受力的目的,有效的減小了龍骨截面(如圖07);橫龍骨為L50*4角鋼,使用螺栓與豎龍骨連接,保證結(jié)構(gòu)的同時,考慮結(jié)構(gòu)在使用過程中的伸縮變形(如圖08)。

        

        荷載信息:

        風震組合荷載:qk×B=0.971×1.383=1.343KN/m   

        平分兩份施加于兩根5#槽鋼立柱上,即每根施加1.343/2=0.6715 KN/m
        自重荷載:Gak×B=0.081×1.383=0.112 KN/m
                施加于兩根5#槽鋼立柱上
        3.4典型格柵構(gòu)件的內(nèi)力分布和變形特點
        鋁板格柵系統(tǒng)中受力較復(fù)雜處應(yīng)屬連接面板與鋼龍骨的鋁合金連接件(如圖09),在鋁型材的截面和材質(zhì)選擇時,采用ANSYS通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對其進行局部強度與變形分析。在荷載設(shè)計值作用下鋁型材的局部承壓強度達到了142.766MP,據(jù)此鋁型材的制作材質(zhì)選定為6063-T6。

      圖09  典型連接節(jié)點

      圖10  連接件內(nèi)力分布圖

        另外根據(jù)風洞試驗結(jié)果分析,屋蓋格柵在最邊部的部位的風壓是較大的,在設(shè)計中著重對其加強,在連接上不只是依靠鋁板插接在鋁型材里面,還在鋁板折邊部位單獨設(shè)計連接角碼,通過角碼連接在系統(tǒng)龍骨上,保證受力的合理性和安全性(如圖11)

      圖11  邊部加強節(jié)點圖

        3.5 溫度應(yīng)力與變形的考慮
        為適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)大的應(yīng)力變形以及在主體結(jié)構(gòu)受荷的情況下的沉降,面板也有應(yīng)對措施,在連接龍骨與鋁板的鋁型材上銑出長孔,允許格柵整體在產(chǎn)生微小變形的情況下,保證面板的完整與平整度要求;雖然鋁型材上的長孔不是很大,但是鋼結(jié)構(gòu)的體量是巨大的,相對于鋼結(jié)構(gòu)的體量,應(yīng)力變形及受荷產(chǎn)生的沉降就不是太大了,此兩種變形,被多塊面板消化吸收,保證了格柵整體的流暢效果。

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