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牛河梁紅山文化遺址Ⅱ號點保護篷結構設計

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1 工程概況

牛河梁紅山文化遺址群被評為中國20世紀100項考古大發現之一,為距今約5000多年的大型祭壇、女神廟和積石冢群址,由壇、、冢等20余處地點組成,保護范圍58.95平方公里,其中號地點呈東西向狹長區域(圖1),東西向長140m,南北向長50m,為五冢一壇,南側43m處為錦承鐵路,北側緊鄰101國道。

基于文物保護的要求,對號點保護篷結構的設計提出了如下要求:為避免切割遺址,跨度要足夠大;為減小結構基礎對遺址的干擾,結構要足夠輕、拱推力要足夠小。總之,必須要保證遺址的完整性。

在上述設計原則的基礎上,保護篷結構的設計方案汲取牛河梁遺址典型出土文物——玉豬龍的造型和幾何形式,將大跨度結構體系與靈活的展示空間有機結合。結構通過頂部穹隆將天光引入,創造靜謐神圣的光影效果,如圖2a)所示;保護篷平面為橢圓形,長軸約161m,寬約53m,矢高約17m,見圖2b),施工現場見圖2c)。

2 結構特點

號地點遺址分布區域狹長,保護篷建筑為狹長橢球體造型,橢球幾何體的拱推力學作用及超長鋼結構在溫度作用下的水平作用效應均很突出。在主體鋼結構設置外環桁架,改善鋼結構的整體穩定性能;在樁基頂設置基礎環梁,可將水平承載與單樁不利狀態轉換成群樁承載的有利工作狀態。但由于長軸與短軸的長度之比達到3.1,無論是主體鋼結構還是基礎,在長軸區域的環向構件由于曲率半徑過大,均不能產生環箍約束效應,也就是徑向水平推力無法得到有效約束。如果主體鋼結構的水平推力不能得到有效解決,將會對基礎產生大偏心作用,從而難以實現對遺址擾動最小的遺址保護設計目標。

2   主體結構設計

2.1 上部鋼結構

基于保護篷空間跨度大、對遺址擾動小的設計原則,同時為滿足建筑室內空間效果和功能要求,主體鋼結構選用平面鋼管相貫桁架結構體系,主要由內環桁架、外環桁架、徑向桁架和支撐系統組成。整體模型如圖3所示。

保護篷建筑為橢球體,結構中部為直徑15m的“天眼”,長短軸之比為3.1,短軸最大跨度只有56m。建筑的室內效果要求結構從天眼沿徑向設置36榀平面徑向桁架,利用“天眼”從脊到谷的內凹圓柱面設置高2.5m的內環桁架,在構造“天眼”局部結構的同時,也為整體鋼結構提供了強有力的內部彈性支撐體系,增強了結構的整體穩定性,變不利因素為有利因素。徑向桁架從支座到天眼內環桁架跨度由1971m不等,且從短軸到長軸0.92.2m變高度布置。

對于平面桁架,支撐體系的設置對于建筑的室內效果、結構安全穩定性能有著至關重要的作用。根據平面桁架上弦全部受壓,下弦主要受拉、局部受壓且壓力較小的力學特點,將交叉支撐布置于桁架上弦,下弦平面僅在受壓區設置環向系桿;在靠近支座處設置外環桁架,加強鋼結構整體穩定性的同時,可有效減小短軸處的水平推力。

2.2連接支座性能化設計

保護篷主體鋼結構與基礎之間的連接支座采用徑向有限位移的彈性滑動支座,適度釋放結構的徑向水平推力。

2.3 地基基礎

基于對遺址擾動最小的原則,基礎設計采用大直徑人工挖孔樁,樁徑為800mm

3   鋼結構保護篷性能化設計

3.1  結構抗震性能設計

抗震性能目標是:在小震下,結構處于彈性狀態;在中震下,結構仍處于彈性狀態;在大震下,結構構件不屈服。選取1條人工波和2條地震波(El Centro波、Taft波),對結構進行多遇地震作用下彈性時程分析(圖4)及罕遇地震作用下的彈塑性時程分析(圖5,6)。

3.2   結構靜力延性性能設計

根據滑動支座剛度的不同及下弦是否設置系桿,6個不同模型進行分析計算,結果表明,結構的穩定承載能力必須是同時考慮幾何非線性和材料非線性,否則可能因過高地估計了結構的穩定承載力而造成結構不安全。

3.3   抗連續倒塌設計

采取拆除支座的方法對結構進行了抗連續倒塌能力分析,結果表明,該結構的抗連續倒塌能力較強,結構不會因為單個支座或連續兩個支座在偶然狀態下失效而連續倒塌,甚至在某個支座失效的狀態下,結構依然處于彈性狀態;若連續三個支座失效,結構的豎向位移雖大幅增大,但基本上不會出現連續倒塌。

 

更多內容詳見建筑結構雜志20141期(1月上)文章:《牛河梁紅山文化遺址Ⅱ號點保護篷結構設計》,作者:楊霄1 葛家琪2 趙天文1,單位:1清華大學建筑設計研究院有限公司;2中國航空規劃建設發展有限公司;建筑結構20141期(1月上)文章:《牛河梁紅山文化遺址Ⅱ號點保護篷鋼結構性能化設計》,作者:趙天文1 葛家琪2 楊霄1 李愷靖1,單位:1清華大學建筑設計研究院有限公司;2中國航空規劃建設發展有限公司。

作者: 來源: 發布時間:2014年01月17日
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