崔大光，陸 健

（1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院, 上海 201418；2. 上海市園林設(shè)計研究總院有限公司, 上海 200031）

園藝博覽建筑中的溫室建筑往往是植物園的標(biāo)志性建筑，溫室空間常需要較大的跨度和高度，以滿足不同種類植物的生長需求，針對溫室的研究多與園藝相關(guān)，對溫室結(jié)構(gòu)體系的研究相對較少[1]。溫室結(jié)構(gòu)常采用大跨空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)材料常采用鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)等輕型材料，結(jié)構(gòu)體系常采用單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如上海辰山植物園四期溫室建筑，除門框采用矩形鋼管外，其它桿件均采用鋁合金工字形截面，節(jié)點形式為板式螺栓連接[2]。北京世園會植物館溫室屋頂采用圓鋼管單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)點采用鼓形焊接球節(jié)點，網(wǎng)殼屋面覆蓋材料采用乙烯-四氟乙烯共聚物（ethylene-terafluoroethlene，ETFE）透明膜[3]。拉斐爾云廊采用自由曲面單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，屋蓋桿件采用鋁合金和鋼材，通過鋼結(jié)構(gòu)樹形分叉柱支撐在多棟高層建筑屋頂上，成為上海G60科創(chuàng)走廊標(biāo)志性建筑[4]。上海植物園北區(qū)改擴建工程新建展覽溫室位于園區(qū)景觀湖北側(cè)，設(shè)計為一組溫室群，穹頂造型，分兩個主題展示區(qū)：冷溫室和蝴蝶溫室，設(shè)計通過營造多種生境，展示出豐富的植物品種，該溫室建成后將與上海植物園南區(qū)溫室群、辰山植物園溫室群和規(guī)劃中的世博文化公園溫室群在展示內(nèi)容上形成互補。

冷溫室建筑面積481 m2，建筑高度13.95 m，最大長軸跨度約32 m，蝴蝶溫室建筑面積1 004 m2，建筑高度19.65 m，最大長軸跨度約40.9 m，經(jīng)過優(yōu)選后的結(jié)構(gòu)體系采用矩形鋼管空間單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該體系具有建筑空間效果美觀、工程造價低等優(yōu)點，植物園展覽溫室效果如圖1所示。

圖1 植物園展覽溫室效果圖Fig. 1 Renderings of the exhibition greenhouses in the botanical garden

1 設(shè)計參數(shù)與荷載取值

1.1 主要設(shè)計參數(shù)

展覽溫室結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 溫室結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)Tab. 1 Main design parameters of greenhouse structure

1.2 恒、活荷載

軟件可自動計算鋼構(gòu)件的桿件自重，并放大1.05倍以考慮節(jié)點重量。外幕墻選用雙層鋼化夾膠鋼化玻璃（8 mm厚的超白玻璃+1.52 mm厚的聚乙烯醇縮丁醛酯（polyvinyl butyral，PVB）+8 mm厚的超白玻璃），外幕墻連同龍骨系統(tǒng)設(shè)計均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值不利作用取2.0 kN/m2，有利作用（風(fēng)吸力組合工況）取0.5 kN/m2，均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5 kN/m2[5]。

1.3 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載計算標(biāo)準(zhǔn)值與基本風(fēng)壓、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)和脈動風(fēng)效應(yīng)等效風(fēng)壓系數(shù)有關(guān)。本工程結(jié)構(gòu)體型對風(fēng)荷載較為敏感，設(shè)計時風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓。風(fēng)壓高度變化系數(shù)偏于安全地按建筑頂點高度確定，冷溫室和蝴蝶溫室μz分別取1.1和1.2。屋蓋主要承重結(jié)構(gòu)的脈動風(fēng)效應(yīng)等效風(fēng)壓系數(shù)根據(jù)《屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》[6]附錄B確定，計算表明脈動風(fēng)效應(yīng)不大于平均風(fēng)效應(yīng)的2倍，設(shè)計時偏于安全地取脈動風(fēng)效應(yīng)為平均風(fēng)效應(yīng)的2倍。對于重要且平面形狀或立面形狀復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，規(guī)定采用風(fēng)洞試驗來確定體型系數(shù)[5]，本工程根據(jù)《屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》[6]推薦的計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬，通過大渦模擬方法得到風(fēng)載體型系數(shù)，用于初步確定主要承重結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)荷載。設(shè)計時最終的風(fēng)載體型系數(shù)近似按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1項次3取值[5]，并與數(shù)值模擬值進行包絡(luò)。CFD數(shù)值模擬共采用12個風(fēng)向角，間隔30°，可提供展覽溫室表面各部位的體型系數(shù)分布云圖和數(shù)值圖。以0°風(fēng)向角的數(shù)值模擬結(jié)果為例，圖2、圖3、圖4和圖5給出了冷溫室和蝴蝶溫室的表面體型系數(shù)分布云圖和數(shù)值圖。分析結(jié)果表明，除少數(shù)區(qū)域CFD值大于規(guī)范值外，大部分區(qū)域規(guī)范值均大于CFD值。

圖2 冷溫室表面體型系數(shù)分布云圖Fig. 2 Cloud picture for shape factor of the cold greenhouse

圖3 冷溫室表面體型系數(shù)數(shù)值圖Fig. 3 Numerical picture for shape factor of the cold greenhouse

圖4 蝴蝶溫室表面體型系數(shù)分布云圖Fig. 4 Cloud picture for shape factor of the butterfly greenhouse

圖5 蝴蝶溫室表面體型系數(shù)數(shù)值圖Fig. 5 Numerical picture for shape factor of the butterfly greenhouse

1.4 雪荷載

本工程空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屬于對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按100年重現(xiàn)期基本雪壓S0=0.25 kN/m2取值。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，溫室結(jié)構(gòu)還應(yīng)按全跨和半跨積雪均勻及不均勻分布工況進行驗算[5]，由于結(jié)構(gòu)形體呈拱形，雪荷載不起控制作用。

1.5 地震作用

設(shè)計時考慮X、Y兩方向水平地震和Z向豎向地震作用，水平地震作用計算時考慮±5%的偶然偏心，地震作用設(shè)計參數(shù)見表1。另外，結(jié)構(gòu)剛度計算時不考慮維護結(jié)構(gòu)也即非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，周期折減系數(shù)取1.0。

1.6 溫度作用

以結(jié)構(gòu)的初始溫度（合攏溫度）為基準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)的溫度作用效考慮溫升和溫降，合攏溫度選取日平均溫度。溫度變化對構(gòu)件有熱脹冷縮的影響，結(jié)構(gòu)跨度越大溫度影響越敏感，特別是合攏施工需選取適當(dāng)?shù)臅r間段，避免次應(yīng)力的產(chǎn)生[7]。冷溫室無加溫設(shè)備，室內(nèi)布置契合四季變化的植物，室內(nèi)設(shè)計使用溫度為-4～29 ℃，而蝴蝶溫室室內(nèi)設(shè)計使用溫度為13～29 ℃。上海基本氣溫最低為-4 ℃，最高為36 ℃。設(shè)計時鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度取10～15 ℃，考慮升溫工況30 ℃，降溫工況-30 ℃。如施工時的合攏溫度與設(shè)計值不一致，應(yīng)進行施工階段驗算。

2 基礎(chǔ)和柱腳設(shè)計

設(shè)計時對多種基礎(chǔ)類型進行比選，結(jié)合場地土工程特性和溫室上部結(jié)構(gòu)特點，基礎(chǔ)型式采用條形承臺梁樁基礎(chǔ)，并在溫室門洞下方無承臺梁處設(shè)置承臺拉梁，使基礎(chǔ)承臺梁形成1個閉環(huán)，增加基礎(chǔ)整體性的同時還可有效地抵抗上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的水平推力。樁型采用預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁PHC-AB400（95）-11，10，樁端持力層為灰色砂質(zhì)粉土層，單樁抗壓承載力設(shè)計值為460 kN。樁位布置基本與鋼柱腳平面位置對應(yīng)，以減小柱腳對條形承臺梁所產(chǎn)生的剪力及變形。設(shè)計時還對剛接和鉸接2種柱腳形式進行對比，計算結(jié)果表明鉸接柱腳可有效地釋放結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，柱腳采用外露式鉸接柱腳，并通過設(shè)置抗剪鍵來承擔(dān)柱腳底部水平反力?；A(chǔ)設(shè)計采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計算軟件YJK-A。

3 上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)體系選型

展覽溫室平面呈不規(guī)則橢圓形，立面為不規(guī)則拱形，外表皮為凹凸皺褶形。結(jié)合建筑方案所呈現(xiàn)的空曠通透感，結(jié)構(gòu)體系采用桿件數(shù)量較少的空間單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。桿件材料可選不銹鋼、鋁合金和鋼材，不銹鋼和鋁合金結(jié)構(gòu)造價較高，且空間網(wǎng)格不規(guī)則，結(jié)構(gòu)桿件和連接節(jié)點規(guī)格較多。通過綜合比選，結(jié)構(gòu)體系采用空間鋼管單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，桿件形狀為方鋼管或矩形鋼管（即B型），鋼材等級為Q355B。冷溫室鋼構(gòu)件截面主要規(guī)格為250 mm×150 mm×10 mm、220 mm×10 mm和150 mm×8 mm，蝴蝶溫室截面規(guī)格為350 mm×250 mm×20 mm、250 mm×150 mm×10 mm、250 mm×12 mm、200 mm×10 mm和160 mm×8 mm。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件采用MIDAS/Gen。

3.2 桿件計算長度

網(wǎng)格桿件的計算長度與結(jié)構(gòu)體系、節(jié)點剛度以及桿件所處的位置有關(guān)[8]，單層網(wǎng)格桿件在殼體曲面內(nèi)、外的計算長度不同，計算長度系數(shù)對桿件穩(wěn)定性驗算結(jié)果有較大的影響，殼體曲面內(nèi)的桿件計算長度可取為0.9l，殼體曲面外的其計算長度為1.6l。MIDAS軟件可對選定的構(gòu)件直接輸入繞強軸（單元坐標(biāo)軸y軸）和繞弱軸（單元坐標(biāo)軸z軸）屈曲時自由長度的有效計算長度系數(shù)。需要注意的是，在定義構(gòu)件的自由長度系數(shù)前應(yīng)設(shè)置構(gòu)件的單元坐標(biāo)軸，使2個單元坐標(biāo)軸與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)曲面的徑向和法向相一致。

3.3 節(jié)點設(shè)計

為保證空間結(jié)構(gòu)的幾何不變性，單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)采用剛接節(jié)點[8]，有限元分析時采用具有6個自由度的梁單元，且在節(jié)點構(gòu)造設(shè)計上也必須與計算模型相符。翁振江等[9]對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中各種典型裝配式節(jié)點進行了總結(jié)，對工程中應(yīng)用的節(jié)點進行了分類。對于單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以往多采用焊接球節(jié)點實現(xiàn)剛接節(jié)點，但巨大的焊接球節(jié)點往往對建筑效果有很大的影響。直接相貫連接的鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點外觀簡潔，除無斜腹桿的空腹桁架外，當(dāng)符合一定條件時才可視為鉸接節(jié)點[10]。文獻[10]的附錄H還提供了無加勁鋼管直接焊接節(jié)點剛度的判別方法。本工程為采用鋼管相貫節(jié)點的單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為增加節(jié)點剛度和節(jié)點承載力，在主管對應(yīng)支管的位置增設(shè)2道內(nèi)加勁板以保證節(jié)點剛性。

3.4 結(jié)構(gòu)自振特性

特征值分析采用Lanczos法計算，振型的選取數(shù)量根據(jù)振型質(zhì)量參與系數(shù)確定，冷溫室取120個振型，蝴蝶溫室共150個振型。冷溫室前三階自振周期分別為0.854、0.574 和0.477 s，振型分別為沿溫室短軸方向的平動、整體扭轉(zhuǎn)和沿溫室長軸方向的平動，扭轉(zhuǎn)周期與一階平動周期比值為0.67。蝴蝶溫室前三階自振周期分別為0.862、0.613和0.566 s，振型分別為沿溫室短軸方向的平動、沿溫室長軸方向的平動和整體扭轉(zhuǎn)，周期比為0.66。計算結(jié)果表明，2個溫室的周期比均滿足規(guī)范規(guī)定周期比不大于0.9的限值要求。溫室結(jié)構(gòu)第一振型分布云圖如圖6和圖7所示。

圖6 冷溫室第一階振型Fig. 6 Mode 1 of the cold greenhouse

圖7 蝴蝶溫室第一階振型Fig. 7 Mode 1 of the butterfly greenhouse

3.5 結(jié)構(gòu)變形、強度和穩(wěn)定驗算

冷溫室在恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向變形最大值為22 mm，在恒荷載和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向變形最大值為18 mm，在恒荷載和溫度作用標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向變形最大值為18 mm，均不大于變形允許值L/400=17 600/400=44 mm，結(jié)構(gòu)豎向變形滿足要求；在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向變形為27 mm，不大于變形允許值H/250=13 000/250=52 mm，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形滿足要求。蝴蝶溫室在恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向變形最大值為32 mm，在恒荷載和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向變形最大值為27 mm，在恒荷載和溫度作用標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向變形最大值為36 mm，均不大于變形允許值L/400=24 100/400=60.2 mm，結(jié)構(gòu)豎向變形滿足要求；在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向變形為38 mm，不大于變形允許值H/250=19 000/250=78 mm，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形滿足要求。全部荷載工況組合作用下，鋼結(jié)構(gòu)單元最大應(yīng)力比均不大于0.9，滿足結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定要求，計算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 冷溫室單元應(yīng)力比Fig. 8 Element stress ratios of the cold greenhouse

圖9 蝴蝶溫室單元應(yīng)力比Fig. 9 Element stress ratios of the butterfly greenhouse

3.6 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力分析

為避免單層網(wǎng)殼整體失穩(wěn)或局部殼面失穩(wěn)，規(guī)范規(guī)定單層網(wǎng)殼應(yīng)對穩(wěn)定性進行補充驗算[8]。本工程首先進行結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)分析，按滿跨均布恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合得到結(jié)構(gòu)最低階屈曲模態(tài)。進一步運用位移控制法進行結(jié)構(gòu)極限承載力分析，并以結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)的形式考慮初始幾何缺陷的分布，取1/300網(wǎng)格結(jié)構(gòu)跨度作為缺陷最大值[8]，分析時考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線如圖10和圖11所示，取曲線下降段前的峰值點作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力。計算結(jié)果表明，冷溫室結(jié)構(gòu)極限承載力穩(wěn)定系數(shù)為21.2，蝴蝶溫室結(jié)構(gòu)極限承載力穩(wěn)定系數(shù)為35.2，均滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)限值4.2的要求。

圖10 冷溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力Fig. 10 Ultimate stability bearing capacity of the cold greenhouse

圖11 蝴蝶溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力Fig. 11 Ultimate stability bearing capacity of the butterfly greenhouse

3.7 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的缺點是耐熱，但是不耐火。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計先根據(jù)建筑物耐火等級確定鋼構(gòu)件的耐火極限，施工圖紙上再注明防火涂料的厚度應(yīng)達(dá)到其耐火極限的要求，施工單位依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗報告選擇相應(yīng)的防火涂料種類及厚度，這種方法的缺點是標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗得到的結(jié)果沒有反映構(gòu)件截面大小、形狀以及荷載類型等因素的影響。為此，《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》[11]提供了與構(gòu)件實際受力情況相符的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法，建立在結(jié)構(gòu)分析與耐火驗算的基礎(chǔ)上，按結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)進行耐火驗算與防火設(shè)計。實際工程中鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施通常采用防火涂料法、包裹防火板法和包覆隔熱材料法[11]，其中防火涂料保護是工程中最常采用的方法，也是本工程選用的方法。本工程建筑耐火等級為二級，因結(jié)構(gòu)體系為單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所有的鋼構(gòu)件耐火極限均采用2.5h，分別采用膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料2種類型涂料進行計算，對于膨脹型防火涂料，計算出需要滿足相應(yīng)耐火極限要求的等效熱阻，對于非膨脹型防火涂料，計算出需要滿足相應(yīng)耐火極限要求的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和涂層厚度。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗算和防火設(shè)計主要有3種方法[11]：耐火極限法、承載力法和臨界溫度法，本工程采用Midas/Gen推薦的臨界溫度法進行鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計，軟件具體分析步驟為：①設(shè)置材料升溫特性并進行高溫特性材料連接，確定高溫下結(jié)構(gòu)鋼的強度設(shè)計值和彈性模量的升溫曲線，本步操作前必須先賦予鋼材的熱特性值；②定義建筑火災(zāi)升溫函數(shù)，可直接選擇規(guī)范提供的建筑室內(nèi)纖維類火災(zāi)升溫曲線，并根據(jù)耐火極限要求給定火災(zāi)持續(xù)時間；③定義防火參數(shù)，根據(jù)耐火極限和防火保護類型賦予構(gòu)件等效熱阻或等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和防火保護層厚度；④計算所有鋼構(gòu)件截面形狀系數(shù)；⑤定義單元升溫，賦予構(gòu)件防火荷載工況；⑥對高溫下結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量進行折減；⑦設(shè)置耐火承載力極限狀態(tài)荷載組合設(shè)計值；⑧對構(gòu)件進行防火設(shè)計驗算，得到各構(gòu)件的臨界溫度。經(jīng)過計算，本工程鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的等效熱阻為0.27 m2·℃/W，等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和防火保護層厚度為0.10 W/(m·℃)和30 mm。

4 結(jié) 語

近年來，大跨空間異形建筑方案越來越多地應(yīng)用在溫室建筑、景觀構(gòu)筑物和雕塑建筑中，單層空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因具備桿件數(shù)量少且有規(guī)律、適用的跨度大、與異形表皮結(jié)合能力強等優(yōu)點，成為結(jié)構(gòu)工程師的首選方案。本文對上海植物園北區(qū)新建展覽溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了全面介紹，包括設(shè)計參數(shù)和荷載取值、基礎(chǔ)和柱腳設(shè)計以及上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，可為矩形鋼管空間單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供參考。