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牛河梁红山文化遗址Ⅱ号点保护篷结构设计

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1 工程概况

牛河梁红山文化遗址群被评为中国20世纪100项考古大发现之一,为距今约5000多年的大型祭坛、女神庙和积石冢群址,由坛、、冢等20余处地点组成,保护范围58.95平方公里,其中号地点呈东西向狭长区域(图1),东西向长140m,南北向长50m,为五冢一坛,南侧43m处为锦承铁路,北侧紧邻101国道。

基于文物保护的要求,对号点保护篷结构的设计提出了如下要求:为避免切割遗址,跨度要足够大;为减小结构基础对遗址的干扰,结构要足够轻、拱推力要足够小。总之,必须要保证遗址的完整性。

在上述设计原则的基础上,保护篷结构的设计方案汲取牛河梁遗址典型出土文物——玉猪龙的造型和几何形式,将大跨度结构体系与灵活的展示空间有机结合。结构通过顶部穹隆将天光引入,创造静谧神圣的光影效果,如图2a)所示;保护篷平面为椭圆形,长轴约161m,宽约53m,矢高约17m,见图2b),施工现场见图2c)。

2 结构特点

号地点遗址分布区域狭长,保护篷建筑为狭长椭球体造型,椭球几何体的拱推力学作用及超长钢结构在温度作用下的水平作用效应均很突出。在主体钢结构设置外环桁架,改善钢结构的整体稳定性能;在桩基顶设置基础环梁,可将水平承载与单桩不利状态转换成群桩承载的有利工作状态。但由于长轴与短轴的长度之比达到3.1,无论是主体钢结构还是基础,在长轴区域的环向构件由于曲率半径过大,均不能产生环箍约束效应,也就是径向水平推力无法得到有效约束。如果主体钢结构的水平推力不能得到有效解决,将会对基础产生大偏心作用,从而难以实现对遗址扰动最小的遗址保护设计目标。

2   主体结构设计

2.1 上部钢结构

基于保护篷空间跨度大、对遗址扰动小的设计原则,同时为满足建筑室内空间效果和功能要求,主体钢结构选用平面钢管相贯桁架结构体系,主要由内环桁架、外环桁架、径向桁架和支撑系统组成。整体模型如图3所示。

保护篷建筑为椭球体,结构中部为直径15m的“天眼”,长短轴之比为3.1,短轴最大跨度只有56m。建筑的室内效果要求结构从天眼沿径向设置36榀平面径向桁架,利用“天眼”从脊到谷的内凹圆柱面设置高2.5m的内环桁架,在构造“天眼”局部结构的同时,也为整体钢结构提供了强有力的内部弹性支撑体系,增强了结构的整体稳定性,变不利因素为有利因素。径向桁架从支座到天眼内环桁架跨度由1971m不等,且从短轴到长轴0.92.2m变高度布置。

对于平面桁架,支撑体系的设置对于建筑的室内效果、结构安全稳定性能有着至关重要的作用。根据平面桁架上弦全部受压,下弦主要受拉、局部受压且压力较小的力学特点,将交叉支撑布置于桁架上弦,下弦平面仅在受压区设置环向系杆;在靠近支座处设置外环桁架,加强钢结构整体稳定性的同时,可有效减小短轴处的水平推力。

2.2连接支座性能化设计

保护篷主体钢结构与基础之间的连接支座采用径向有限位移的弹性滑动支座,适度释放结构的径向水平推力。

2.3 地基基础

基于对遗址扰动最小的原则,基础设计采用大直径人工挖孔桩,桩径为800mm

3   钢结构保护篷性能化设计

3.1  结构抗震性能设计

抗震性能目标是:在小震下,结构处于弹性状态;在中震下,结构仍处于弹性状态;在大震下,结构构件不屈服。选取1条人工波和2条地震波(El Centro波、Taft波),对结构进行多遇地震作用下弹性时程分析(图4)及罕遇地震作用下的弹塑性时程分析(图5,6)。

3.2   结构静力延性性能设计

根据滑动支座刚度的不同及下弦是否设置系杆,6个不同模型进行分析计算,结果表明,结构的稳定承载能力必须是同时考虑几何非线性和材料非线性,否则可能因过高地估计了结构的稳定承载力而造成结构不安全。

3.3   抗连续倒塌设计

采取拆除支座的方法对结构进行了抗连续倒塌能力分析,结果表明,该结构的抗连续倒塌能力较强,结构不会因为单个支座或连续两个支座在偶然状态下失效而连续倒塌,甚至在某个支座失效的状态下,结构依然处于弹性状态;若连续三个支座失效,结构的竖向位移虽大幅增大,但基本上不会出现连续倒塌。

 

更多内容详见建筑结构杂志20141期(1月上)文章:《牛河梁红山文化遗址Ⅱ号点保护篷结构设计》,作者:杨霄1 葛家琪2 赵天文1,单位:1清华大学建筑设计研究院有限公司;2中国航空规划建设发展有限公司;建筑结构20141期(1月上)文章:《牛河梁红山文化遗址Ⅱ号点保护篷钢结构性能化设计》,作者:赵天文1 葛家琪2 杨霄1 李恺靖1,单位:1清华大学建筑设计研究院有限公司;2中国航空规划建设发展有限公司。

作者: 来源: 发布时间:2014年01月17日