邱丽秋1 2
1 上海通正铝结构建设科技有限公司，上海 201612
2 上海建科铝合金结构建筑研究院,上海 201612
摘要：上海世博文化公园温室花园之热带雨林馆采用了双向拉索支承异形网格结构体系，屋盖围护系统采用了玻璃板与铝板体系，为适应馆内潮湿的环境，面板龙骨采用了不锈钢构件。新颖的结构形式及多种材料的综合运用是本工程的特点，为确保其在荷载及温度效应的作用下协同受力、变形可控，对屋盖的结构与屋面龙骨进行了整体建模计算，对其在各荷载组合下的位移数值进行了分析。计算结果表明，热带雨林馆屋盖的实际相对变形小于其构造变形能力，验证了结构的安全性与构造的合理性。
关键词：铝合金结构；空间网格结构；双向张弦结构；变形分析
1 引言
随着建筑造型日益复杂的发展，建筑采光顶的尺寸也日趋增大。对立面明框玻璃幕墙而言，为保证在各种荷载作用下铝型材玻璃框不会挤坏玻璃，《玻璃幕墙工程技术规范》[1]对明框幕墙的玻璃边缘至边框槽底的间隙进行了构造要求：
（1）
式中，
分别为玻璃板与左右和上下边框的平均间隙；
分别为玻璃板竖向和横向边长；
为由主体结构层架位移引起的分隔框的变形限值：非抗震设计时
根据主体结构弹性层间位移角限值确定，抗震设计时
根据主体结构弹性层间位移角限值的3倍确定。
而对玻璃采光顶而言，并无类似的构造要求。对尺寸较大的采光顶而言，也存在连在结构上的铝型材因变形过大而导致连在其上的玻璃被挤碎的可能性，但却无法通过其构造是否满足规范要求来判断这种可能性是否存在。本文通过具体工程案例，进行了结构与幕墙龙骨整体计算分析，得到了玻璃采光顶随结构变形的数据值，通过对数值的处理分析。得出了合理的采光顶构造需求，从而避免上述情况的发生。
2 工程概况
上海世博文化公园温室花园位于上海市浦东新区雪野路以北，是在原上钢三厂现状保留厂房构架的基础上建设的一座世界一流温室花园。热带雨林馆平面形状呈现为云朵状的不规则体，长度方向约110m，宽度方向约72m，投影面积约为4388m2。馆体为单层建筑，层高为20.7m。该温室单体呈现为云朵状的外立面幕墙在平面上由相互相切的直线和圆弧组成，立面玻璃幕墙的竖向分隔规则的分为0.8m、1.6m和2.4m，横行分隔为1.5m的倍数并错落布置。在玻璃幕墙竖向分隔和横向分隔对应的位置，分别设置有箱型结构框架柱和箱型结构框架梁，柱顶设置了一圈钢环梁将所有钢柱连为一体，环梁与钢柱柱顶铰接连接。
热带雨林馆屋顶采用直径较大的圆形玻璃窗以更好的满足采光要求。每个温室的屋面采用3%单向坡度排水。根据建筑造型和屋面形态，该单体的屋面结构体系采用了正交双向拉索支承蜂窝型铝合金网格空间结构体系[2]。为适应场馆内高湿高潮的环境，上弦采用耐腐蚀性能好的铝合金日字形杆件[3]，沿着屋面圆形玻璃窗形成的多边蜂窝型布置，下部设置正交双向拉索，拉索锚固在屋面周圈的钢环梁上，并通过撑杆与上弦铝合金杆件连成一体，共同受力。为加强上弦网格的平面内刚度，结合建筑效果在玻璃窗的正下方设置有铝合金π型件，π型件通过节点板与上弦网格连为一体，如图1所示。
在每个圆形采光顶单元中，玻璃通过不锈钢横向龙骨、弦向龙骨和环向龙骨与主体结构连接，如图2和图3所示。横向龙骨间距2m，焊接在弦向龙骨上；弦向龙骨间距2.5m，焊接在环向龙骨上。环向龙骨通过间距1.5m一个的角码连接在铝合金π型件上。
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3 计算模型
采用Midas Gen2020进行建模计算。本工程设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为为1.1。抗震设防类别为乙类，结构抗震等级为三级。荷载取值见表1。由于本项目属于不规则建筑，风荷载值取按照《建筑结构荷载规范》[4]计算结果和数值风洞计算结果大值。且根据《采光顶与金属屋面技术规程》[5]的要求，采光顶风荷载负压标准值不应小于1.0 kN/m2，正压标准值不应小于0.5 kN/m2，均大于数值风洞计算结果和按《建筑结构荷载规范》计算结果。立面上考虑0°、90°、180°和270°四个风向角，即共有四个风向角与屋面正负风压分别组合的8种风荷载工况。地震荷载按照《建筑抗震设计规范》[6]的规定进行计算，并考虑竖向地震作用。本项目考虑了111种基本组合、20种地震组合和111中标准组合，并考虑了基本组合的包络情况。
为分析采光顶龙骨的变形情况，将横向龙骨、弦向龙骨和环向龙骨及π型件与结构构件一同进行建模计算，整体计算模型如图4所示。
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4 计算结果
4.1杆件应力比
在基本荷载组合包络工况作用下，各构件的应力比如图5和图6所示。经验算，钢杆件最大应力比为0.88，铝合金杆件最大应力比为0.85，均小于1.0。
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图5 屋盖钢杆件应力比 图6 屋盖铝杆件应力比
4.2 整体变形
在各标准荷载组合的作用下，整体模型的水平位移和竖向位移如图7和图8所示。由图可知：结构最大水平位移为49.8mm，层间位移比为1/1445<1/250，满足规范要求[6]；结构最大竖向挠度为199mm，挠跨比为1/361<1/250，满足规范要求[7]。
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图7 Dxy (mm) 图8 Dz (mm)
4.3 采光顶变形分析
本项目屋盖中共有114个圆形采光顶，对其中直径超过4.8m的46个单元（设置有横向龙骨和弦向龙骨）进行了变形数值进行了处理和分析。
4.3.1 水平位移分析
对屋盖平面内的变形，根据如图9所示的节点构造可知，玻璃副框与压块之间的距离为8mm，保守认为，每个节点可以有±8mm的变形空间。
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图9 采光顶节点构造详图
每个单元的位移可以分解为两个部分，第一部分为跟随结构一起运动的刚体位移，此部分位移只是整体的平动（转动），不产生相对变形；第二部分为自身的相对变形产生的位移。对同一单元上的各节点而言，第一部分位移是一相同向量，此向量取为该单元上所有节点位移的平均值。扣除第一部分位移后，可得到各标准荷载组合作用下各单元里所有节点的相对变形量，如表2所示。经过分析，单元34的8546号节点在标准荷载组合DL+0.6W4+T2的作用下，变形前后的相对水平变形达到最大值，为5.35mm，所有节点变形前后距离均不超过8mm，构造满足要求。
表2 各单元最大相对水平位移（mm）
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4.3.2 竖向挠度分析
对每一根弦向龙骨，其跨中节点的竖向位移扣除其两端节点的竖向位移的平均值，可以该龙骨的相对挠度。各标准荷载组合作用下，龙骨的跨中相对挠度与挠跨比如表3所示（由于篇幅有限，本表中只列出了各单元中跨度最大的弦向龙骨数据）。由表3可知，各龙骨的相对挠度均小于1/180[1]，满足要求。
表3 各弦向龙骨跨中最大相对挠度（mm）
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5 结语
（1）本项目结构形式新颖、材料种类多样。为确保其在荷载及温度效应的作用下协同受力、变形可控，对本项目进行了结构构件与幕墙龙骨构件的整体建模分析。经过计算可知，所有构件均可协同受力，传力途径合理有效，变形可控。
（2）将屋面采光顶视为一个个单独的分析单元，对每个单元的相对水平变形进行了分析。所有单元节点的相对水平位移绝对值均小于8mm，不大于玻璃板的可变性能力，玻璃板不会因龙骨的变形过大而相互挤坏。
（3）将屋面采光顶视为一个个单独的分析单元，对每个单元的相对竖向变形进行了分析。所有龙骨的相对竖向挠度均小于1/180，满足规范要求。
参考文献：
[1]玻璃幕墙工程技术规范：JGJ 102-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2]陈志华.张弦结构体系[M].北京：科学出版社，2012.
[3]欧阳元文，邱丽秋，李志强.大跨度铝合金结构应用与发展综述[J].建筑结构，2018,48(14):1-7.
[4]建筑结构荷载规范：GB 50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5]采光顶与金属屋面技术规程：JGJ 255-2012[S]:北京：中国建筑工业出版社，2012.
[6]建筑抗震设计规范（2016版）：GB 50011-2010[S]:北京：.中国建筑工业出版社，2016.
[7]铝合金结构设计规范：GB 50429-2007[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
基金项目：国家自然科学基金重点项目（51738009）