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2.1 结构整体设计研究

2.1.1 上部结构体系

上海天文馆主体建筑横向长 140m左右,纵向长 170m左右,结构最大高度 22.5m,局部突出屋顶设备间高度 26.5m。地下一层,较高一侧地上三层,局部有夹层,较低一侧地上一层。上部结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构,局部采用钢结构和铝合金结构(图2-1)。上部结构主要由四部分组成,即大悬挑区域(图2-2)、倒转穹顶区域(图2-3)、球幕影院区域(图 2-4)及连接这三块区域之间的框架。其中大悬挑区域采用空间弧形钢桁架+楼屋面双向桁架结构,桁架结构支撑于两个钢筋混凝土核心筒上,倒转穹顶采用铝合金单层网壳结构,倒转穹顶支撑于“三脚架”顶部环梁上,“三脚架”结构采用清水混凝土立柱(内设空心薄壁钢管)和混凝土环梁,穹顶下方旋转步道支撑于“三脚架”立柱上。球幕影院区域球体采用钢结构单层网壳结构,球体内部结构采用钢框架结构,球体通过六个点支撑于曲面混凝土壳体结构上。大部分屋面为不上人屋面,采用轻质金属板屋面,局部上人屋面和楼面采用现浇混凝土楼板,局部采用闭口型压型钢板组合楼板。地下室顶板除球幕影院区域开大洞外,相对较完整,二层和三层楼面均有大面积缩减,如图2-5~图 2-8 所示。

图 2-1 上部结构区域划分示意

图 2-2 大悬挑区域

图 2-3 倒转穹顶区域

图 2-4 球幕影院区域

图 2-5 地下室顶板楼板范围

图 2-6 二层楼板范围

图 2-7 三层楼板范围

图 2-8 屋面楼板范围

由于较低一侧屋面为轻质金属屋面,结构为钢框架,结构刚度小,变形能力强,且其质量与整个上部结构相比不超过其 5%,因此整个结构采用无缝设计,但在构造上加强高低侧连接处立柱的配筋(图 2-9)。

图 2-9 较低一侧结构骨架

2.1.2 主要部位结构布置

2.1.2.1 大悬挑区域

大悬挑区域所在位置如图 2-10 所示,悬挑区域采用钢结构体系,主要受力构件为支承于现浇钢筋混凝土筒体上的空间弧形桁架(尺寸见图 2-10)和楼屋面楼面双层网架,网架中心线厚度为 1.8m。为了保证荷载的传递,在混凝土筒体内设置钢骨(图 2-11)。考虑构造要求,核心筒墙厚度取 1 000mm。空间弧形桁架及大悬挑区域模型如图 2-12~图 2-15 所示。

(a)平面位置

(c)分割尺寸

(b)立面位置
图 2-10 悬挑区域所在位置及尺寸

图 2-11 核心筒内设置钢骨

图 2-12 空间弧形桁架

图 2-13 空间弧形桁架截断模型

图 2-14 大悬挑区域三维实体模型

图 2-15 大悬挑区域建筑剖面图

2.1.2.2 倒转穹顶区域

倒转穹顶区域所在位置如图 2-16 所示,倒转穹顶采用铝合金单层网壳结构,穹顶支承于下部“三脚架”顶部的环梁上,穹顶下方旋转步道采用钢结构体系,步道支承于“三脚架”立柱上(图 2-17~图 2-21)。“三脚架”采用现浇钢筋混凝土结构,顶部环梁截面1 800mm×2 000mm(内置十字型型钢),下方环梁截面 1 200mm×1 800mm,且下方环梁位于立柱的外表面以外。北侧立柱截面为 5m×1.8m,南侧两根立柱截面为 7m×1.8m。为了减轻立柱的重量,同时简化旋转步道与立柱的连接构造,“三脚架”立柱采用内置直径1 200mm薄壁空心钢管,钢管在高度方向每隔 3m通过一水平横隔板连接在一起,外表面为清水混凝土,为了保证立柱底部水平力的传递,此范围基础底板加厚为 1 200mm。旋转步道宽度 3.25m,长度 178m,最大跨度 40m。

图 2-16 倒转穹顶区域所在位置及尺寸

图 2-17 倒转穹顶结构三维实体

图 2-18 旋转步道结构细部

图 2-19 “三脚架”立柱断面

图 2-21 铝合金网壳与“三脚架”环梁连接构造

图 2-20 倒转穹顶剖面

2.1.2.3 球幕影院区域

球幕影院区域所在位置如图 2-22 所示,球幕影院顶部球体采用钢结构单层网壳结构,其内部观众看台结构采用钢梁+组合楼板的结构形式(图 2-23 和图2-24)。球体底部支撑结构根据建筑效果要求采用混凝土壳体结构,并均匀设置加劲肋,壳体与钢结构球体之间设置钢筋混凝土环梁,环梁内设置钢骨(图 2-25)。球体结构通过六个点与混凝土环梁连接。

图 2-22 球幕影院区域所在位置及尺寸

图 2-23 球幕影院区域结构三维实体图

图 2-24 球幕影院区域建筑剖面图

图 2-25 球体与混凝土壳体连接构造 z9yrH7jGY2MBVD3kHAVWkurrK8PtxJTmmpO6tINFa2pxCkJrBNx8jsvVEJB11G7V

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