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研读导语
81m跨的长沙国际会展中心展馆，是百米大跨研读系列的跨度下限。展馆屋盖跨度虽然不是很大，但是极少见的下凹形弦支梁案例，颇具代表性，故纳入研读对象。
——王世权
长沙国际会展中心
设计：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司
竣工：2015
关键词：下凹形弦支梁 81m
1 项目概况
长沙国际会展中心位于长沙市长沙县黄兴镇浏阳河东岸，占地约53.3公顷，总建筑面积44.5万m²，其中室内展览部分建筑面积17.8万㎡，室外展览面积8.5万m²。
已研读百米大跨案例分布图
长沙国际会展中心包括南北登录厅、展馆、连廊、室外展场四个部分。建筑师从中国传统山水画卷中提取了潇湘云雨、万千气象的神韵，通过展厅独特的屋面造型予以呈现。
长沙国际会展中心长沙国际会展中心单层展馆一共有12个，东西各6个，分别为W1~W6和E1~E6。
西区的6个展馆中，W1和W2、W3和W4、W5和W6分别通过连接馆相连。
东区的6个展馆中，E1和E2、E3和E4、E5和E6分别通过连接馆相连。
12个单体展馆的结构形式及结构尺寸完全相同。每个展馆的屋盖结构平面尺寸为100m×163m，跨度方向为100m，屋面高度从18m~32m不等。
长沙国际会展中心鸟瞰效果图
长沙国际会展中心实景鸟瞰
长沙国际会展中心入口广场
长沙国际会展中心展馆
2 展馆屋盖体系建构
展馆屋盖形态为下凹形，屋脊处结构高度为32.1m，檐口处结构高度为18.9m。
展馆采用全钢结构（柱采用钢管砼柱），两侧的设备间钢框架结构为大空间屋盖结构提供支承。展馆81mX163m无柱大空间屋盖选型是本案的核心问题。
2.1
屋盖结构方案比选
通常情况下，下凹形态屋盖比较适合型钢式劲性索（悬垂单梁）结构。但由于展厅定位要满足重型工业展览的需求，屋盖吊挂荷载大（除了常规荷载外，屋盖尚需承担高达100kg/㎡的吊挂荷载，吊点间距为3m x 3m）。而建筑对屋盖曲率要求极严苛，垂跨比仅为1/40，对于81m的跨度，若采用常规的劲性索结构，将导致杆件截面高度超过3m，既无法满足通透的建筑观感，也会引起屋盖结构造价的大幅增加，同时增加了施工安装的难度。
本案结构设计师在排除了型钢式劲性索方案之后，又考虑了多种方案，最终在立体桁架式劲性索、下凹形弦支梁和下凹形弦支桁架三种屋盖结构体系中选择。建筑师也非常用心地渲染了室内场景，对每一种方案的室内效果进行推敲。
立体桁架式劲性索方案
下凹形弦支桁架方案
下凹形弦支梁方案
由于展厅大空间内不设吊顶，屋盖结构完全外露，立体桁架式劲性索和弦支桁架结构中桁架构件繁多，影响室内效果，而下凹形弦支梁结构仅由贴合屋面形态的主梁、序列化的竖直撑杆和纤细的拉索组成，张弦梁拉索垂跨比为1/9.5，与主梁弧度相协调，结构受力与建筑美学协调统一。屋盖结构体系最终选定了下凹形弦支梁方案。
2.2
屋盖体系构成
屋盖两端采用立体管桁架，其余位置采用下凹形弦支梁结构，由上弦下凹箱型截面梁、空腹H型钢撑杆和下弦双拉索构成。弦支梁跨度81m，共计8榀，榀距18m。弦支梁两端通过成品球铰支座与钢管砼柱顶相连。
弦支梁上弦下凹箱型梁截面为1600x500。
下凹形弦支梁下弦索处于不稳定态，为了提高索的侧向约束能力，采用空腹H型钢撑杆，每榀共有9根。撑杆上端通过单向销轴与上弦梁相连（双耳板，沿跨度方向可转动，垂直于跨度方向不可转动）。撑杆下端通过专用索夹与两根拉索相连。
下弦采用2根直径Φ97的高钒镀层拉索，以与空腹桁架式撑杆匹配，拉索钢丝强度1770MPa。
垂直于弦支梁布置有650X250H型钢次梁，次梁与弦支梁上弦顶平，为了强化屋盖对弦支梁上弦面外约束能力，次梁与上弦箱形梁之间采用刚接。
为了保证屋盖面内刚度，屋盖面内设置“日”字形柔性封闭交叉支撑。柔性支撑采用φ40高钒索，其材质与弦支梁下弦拉索同。
(屋盖结构平面图)
（屋盖结构模型透视图）
（弦支梁立面图）
展馆结构体系构成图
2.3
下凹形弦支梁面外稳定措施
虽然下凹形弦支梁方案非常简洁，得到建筑师的青睐，但它面临一个关键的问题。对于下凹形弦支梁，当理想受压的撑杆下端受到一点侧向扰动时，不能自发回到原本的位置——下凹形弦支梁本身是不稳定的。
为了说清楚这个问题，我们需要对不同形态弦支梁的稳定性做一个梳理。这里有一个核心判断标准：
看下弦索在撑杆长度保持不变的情况下，绕上弦杆件截面中心线旋转时，其长度变化趋势。
1）旋转时，当下弦拉索长度在逐渐变长，则弦支梁处于稳定平衡状态；
2）旋转时，当下弦拉索长度保持不变，则弦支梁处于随遇平衡状态；
3）旋转时，当下弦拉索长度在逐渐变小，则弦支梁处于不稳定平衡状态。
根据上述判断标准，弦支梁形态可分为三类：
当弦支梁上弦为拱时，就处于稳定态，只要上弦有可靠约束，弦支梁就处于稳定状态，下弦索不需要额外的面外约束。
当弦支梁上弦为平直梁时，就处于临界态，需要有可靠措施来保证其整体稳定性。比如上弦采用双梁+V形撑杆，就是一个常用也比较有效的的措施。或者对下弦索设置额外的外面约束。
当弦支梁上弦为下凹形梁时，就处于不稳定态，必须采取可靠的措施，来保证其整体稳定性。
为了解决下凹形弦支梁的面外稳定问题，本案采取了三项措施，分别如下：
1）次梁密布（间距3m），并与弦支梁上弦箱型梁刚接，以强化屋盖对弦支梁上弦面外约束能力。
2）采用空腹H型钢撑杆，撑杆上端与上弦箱型梁通过双耳板销轴连接。
这样可以实现沿跨度方向转动，垂直跨度方向约束。因为空腹H型钢具有足够面外抗弯刚度，再加上双耳板销轴连接，可以较好解决本案下凹形弦支梁侧向稳定问题。
3）附加稳定措施：拉杆式隅撑。
前面2项措施已可保证下凹形弦支梁平面外稳定性，不过长沙是出现过08年雪灾等意料之外的极端情况的城市，设计师还是在计算之外，增加了附加稳定措施来提高结构安全冗余度。对这一点谨慎，建筑师也非常理解，和结构设计师一起比较了的几种稳定设计方案的效果细节。经过多轮讨论和比较，最终采用了拉杆式隅撑方案。隅撑对称布置，采用 650 级、φ35 钢拉杆，上端间距3m，下端位于撑杆最下方一个洞口之上，既简化了弦支梁索夹节点，又通过结构细节满足建筑师对室内观感的追求。
下凹形弦支梁面外稳定措施图示
完工后照片
2.4
图片采集
展馆施工过程照片
展馆竣工后照片
3 节点与细部
3.1
弦支梁支座
弦支梁支座大样
1-1剖面
3.2
空腹H型钢撑杆端节点
撑杆上端双耳板销轴节点
撑杆下端索夹节点
索夹照片
4 研读小结
本案展馆屋盖采用了较少见的下凹形弦支梁，以最大限度的满足建筑方案创作意图。
下凹形弦支梁结构与较常见的上凸形弦支梁/桁架结构相比，有它独特的难点，其中最突出的一个问题就是，下凹形弦支梁不是一个稳态结构，下弦索需要有可靠侧向约束，以避免下弦索发生侧移失稳。为了解决该问题，设计团队采用了三项非常有针对性的措施予以解决。
在最初的屋盖结构方案选型上，设计团队也花费了很多心思，进行了多方案比选，有立体桁架式劲性索、下凹形弦支梁和下凹形弦支桁架，并对每种方案都制作了室内渲染图，这种精益求精的态度非常值得学习。
关于展厅屋盖选型还有一个方案也值得考虑，就是采用双梁+V形撑的下凹弦支梁，类似于把目前的下凹形弦支梁方案，上弦一分为二（间距可取3m），把两侧的拉杆式隅撑替换为刚性撑杆，同时取消空腹H型钢撑杆，双索合为单索。本方案也足够简洁，同时可通过弦支梁自身形态优势解决下弦索侧移失稳问题，不需要再采取额外措施。
参考资料
[1] 张峥,丁洁民,李璐. 长沙国际会展中心展厅大跨度下凹形钢屋盖结构选型与设计. 建筑结构, 2020,50(7),67-73.
延伸阅读
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