ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
世博轴及地下综合体工程是2010年上海世博会园区标志性建筑之一，其顶棚结构由阳光谷钢结构和索膜结构组成。索膜顶棚采用了连续张拉式柔性结构体系，具有大跨度、大位移、几何非线性特征较强等特点。通过研究膜材安全系数的取值、风致响应、膜面位移控制的取值方法等问题，明确了膜结构的设计原则。通过多个程序的计算分析，研究了膜材的长、短期荷载组合下的应力、变形。膜面最大应力满足设计要求，最大位移不影响建筑使用。通过结构在小风下的膜面位移分析、局部倒塌分析，论证了结构的舒适性、安全性。
上海世博轴索膜结构的设计经历了多种方案的比选。以世博轴特大型张拉索膜结构的设计过程为主线，采用非线性有限元方法对该项目各种方案的结构响应进行计算。结构选型提出了无谷索方案、有谷索方案、重锤方案以及内桅杆方案，对比分析了四种方案结构的受力和变形特征，研究了世博轴索膜结构的受力性能变化与方案演变过程，确定结构最终方案为内桅杆体系。并依据自重、弹性模量、泊松比以及支承等因素对结构性能的影响进行了参数分析，分析结果表明：结构体系是影响系统力学性能的主要因素，弹性模量、泊松比等材料属性对结构的整体性能的影响很小；当膜面跨度较大或使用较重的膜材时，建议在找形阶段应考虑自重的影响；为避免计算假定与实际情况脱节，对于柔性支撑体系建议采用整体模型进行分析。图14表7参3
世博轴及地下综合体工程为2010年上海世博会园区标志性建筑之一，其顶棚结构由阳光谷钢结构和索膜结构组成。针对阳光谷体型尺度大、曲面空间复杂、悬挑跨度大、三角形网格组成的单层钢结构体系的特点，结构设计进行了多遇地震作用下的弹性分析、反应谱法罕遇地震作用分析、罕遇地震作用下结构的弹塑性时程分析。分析结果表明，阳光谷结构不仅在各种荷载组合工况下处于弹性工作状态，并且具有较好的抗震性能，达到了大震弹性的抗震能力；结构的控制荷载主要为风荷载；结构传力途径丰富，具有良好的承载能力。
世博轴阳光谷单层空间网格结构曲面形状复杂、几何尺度大、悬挑跨度大，其整体稳定性是结构分析与设计中的关键问题之一。分析以特征值屈曲模态作为初始几何缺陷分布形式的合理性，通过非线性有限元分析系统考察了阳光谷单层网格结构的整体稳定性能，并研究了单根杆件失稳对结构整体极限承载力的影响。分析结果表明：几何非线性以及几何、材料双重非线性临界屈曲承载力均满足相关规范要求，阳光谷钢结构具有良好的整体稳定性；阳光谷钢结构对几何初始缺陷不敏感，阳光谷上由索膜结构传来的索拉力可进一步降低其缺陷敏感性；局部杆件的失稳退出工作并不会导致结构整体承载力的突然丧失，整体结构具有良好的承载能力。图7表6参7
世博轴阳光谷单层网格结构采用了一种全新的节点形式，其主要设计思路是矩形钢管杆件仅上下翼缘板及两根内力最大杆件的腹板与节点核心区焊接。根据不同的加工工艺，节点核心区有以加劲板连接的两块端板和实心圆柱体两种构造形式。为直观了解节点的受力性能、破坏机理和承载能力，保证连接节点的安全可靠，并验证通过不同工艺加工的节点能够满足设计要求，选取3个阳光谷中的10个典型节点进行了足尺试验研究。试验结果表明，所采用的节点形式具有足够的安全储备，可以满足“强节点弱杆件”的设计要求；节点核心区为实心圆柱体的构造形式，应力水平较
以2010年上海世博会世博轴工程中采用的梭形钢格构柱为研究对象，应用大挠度弹塑性有限元法研究考虑弯矩作用时梭形格构柱的稳定承载力。分析了初始几何缺陷作用方向、分布形式对梭形格构柱稳定承载力的影响，并与试验结果进行了比较。分析结果表明：梭形格构柱在轴力和弯矩共同作用下的一阶弹性屈曲模态表现为“S”形和“C”形两种形式；考虑弯矩作用后，初始缺陷作用方向对梭形格构柱的稳定承载力有较大影响；对一阶屈曲模态为“S”形的梭形格构柱，计算稳定承载力时只需考虑“S”形缺陷的影响，而对一阶模态为“C”形的梭形格构柱有必要综合考虑“C”形和“S”形缺陷的影响。与试验结果比较表明，建议方法计算梭形格构柱的稳定承载力安全、合理。图12表1参11
将风速时程作为数值风洞的入口边界条件，采用非稳态计算方法，获得了世博轴索膜结构的表面风压时程。将该风压时程的统计平均值与采用稳态计算得到的平均风压做比较，验证了前者的准确性。分析结果表明：利用数值风洞非稳态计算获得的阵风系数将比现行《建筑结构荷载规范》中的数据更能反映脉动风的空间分布特性；由于风速模拟和数值风洞分别考虑了风荷载时间和空间的相关性，动力时程分析又包含了结构高阶振型的影响，将非稳态计算得到的风荷载时程直接加载到有限元模型上进行动力时程分析，与采用风振系数的等效静力风荷载方法相比，能较好地反映结构的实际风振情况。
以建立弯曲应力为零、薄膜应力最小的曲面为目标，提出了一种基于计算机辅助几何设计（CAGD）的一体化有限元建模技术与造型优化方法。该方法通过参数联动、模型自动更新等功能，实现了计算机自动进行自由曲面建筑造型的目的。利用软件自身的二次开发功能，建立了一套CAD软件与有限元软件协同建模与造型优化设计系统。该系统包含了三维参数化动态有限元建模中的若干关键技术，如CAD/CAE集成方法、基于应变能的空间结构优化以及有限元模型的参数驱动方法等。该系统可通过调整设计参数（约束条件，空间条件）得到多种合理曲面形态，同时也可以对建筑意图所设定的初始形状进行修改，为基于性能化的自由曲面建筑造型设计提供新的方法。该系统可利用建筑设计所提供的初始曲面形状进行合理的参数定义，在此基础上通过若干次优化修正，改善结构的力学性能。
2010年上海世博会中国馆的国家馆底部架空，展区部分层叠出挑，呈四棱台斗冠状，屋面高度处从混凝土筒体出挑34.75m，由于转动惯量大，导致结构的扭转周期成为第一周期。本文介绍针对该结构的特点与抗震性能目标所进行的概念设计、有限元分析和振动台试验结果。概念设计、有限元分析和振动台试验表明：结构扭转反应较小，设计中采用通过合理的结构布置控制结构的扭转反应而不控制结构周期比的方法是可行的；结构的整体抗震性能较好，所采取的在各混凝土筒体的转角部位设置方钢管、控制剪力墙的剪应力水平、控制剪力墙的轴压比、连梁内增设型钢梁等措施是有效的。研究成果可为今后同类结构的抗震设计提供参考。
主题馆作为2010年上海世博会 “一轴四馆”核心建筑群的重要组成部分，建筑平面南北向217.8m、东西向288.0m，其中，西侧展厅为126m×180m无柱大空间。针对屋盖跨度大、整体结构超长且平面不规则等特点，对屋盖结构体系选型和下部框架支撑体系选型进行了详细比选，最终，屋盖采用了由索撑张弦桁架与立体桁架组成的长度为270m的4跨连续梁结构，下部钢框架采用了钢支撑与粘滞阻尼支撑形成的混合支撑框架体系。对结构设计中的一些关键问题进行了分析研究，得到以下结论：与局部抽空方案相比，屋盖满堂支撑方案下结构整体性较好；滑动支座与预应力拉索的合理应用，提高了屋盖结构效率，同时释放了屋盖对下部结构水平推力；混合柱间支撑方案既满足结构抗侧刚度的要求，同时有效降低了超长结构温度作用内力；东侧展厅变截面箱梁方案综合兼顾了建筑形式、结构受力以及设备管线穿行的要求。
为研究预应力混凝土梁-钢骨变截面劲性柱节点的破坏特征及受力性能，进行了4个模型试件的低周反复荷载试验。观察了各节点的受力过程及破坏形态，并分析了试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力和延性等力学特性。结果表明：预应力混凝土梁-钢骨变截面劲性柱节点典型破坏形态是梁端弯剪破坏，该类节点的延性与混凝土梁柱节点相似，位移延性系数为2.0，柱内钢骨可提高节点的承载能力及刚度；柱内钢骨变截面可有效改善节点的延性性能，而对承载能力没有影响；节点处混凝土的浇筑质量对节点的整体受力性能影响较大。最后对该类节点给出了设计及施工建议。试验研究成果可为预应力混凝土梁-钢骨变截面劲性柱节点工程研究及应用提供参考。
采用先张法预应力混凝土管桩（以下简称PHC管桩）作为抗拔桩，具有工程造价低、施工周期短、质量稳定、抗裂性能佳等诸多优点，但由于PHC管桩通常是作为抗压桩来使用的，结构工程师往往对抗拔管桩接桩的连接可靠性存有疑虑。结合世博会主题馆的桩基础设计，对PHC抗拔管桩的连接计算方法进行了分析和总结，鉴于工程设计中针对标准图集接桩连接采用了外贴钢板焊接方法进行改进处理，为检验改进后接桩连接的受力性能，分别对标准型接桩连接和改进型接桩连接进行了1：1足尺轴心抗拉试验。试验结果表明：改进型接桩节点较标准型接桩节点在受力性能、施工工艺、焊接质量等方面均有明显改善，值得在工程中推广应用。
上海世博文化中心碟形主体结构由36榀悬臂长度不等的桁架和内框架结构组成。结构受力以静荷载为主。有效控制桁架端部的变形及减小桁架和内框架的受力是该结构设计的重点。设计时分析了结构的受力特点并针对关键构件进行了加强，首先在内框架顶部设置两道矩形钢管主环梁；其次将六层楼板加厚为200mm，并在楼板应力大的桁架第一节间位置铺设钢板。上述措施如同在36榀内框架顶部加了一道“紧箍”，显著减小了桁架端部变形及主要构件的受力。动力分析表明：该结构的振动特性不同于普通的高层建筑，扭转成为第1振型，但结构具有相当大的侧向刚度，且抗侧力构件分布均匀，并采用钢框架结构，在水平地震作用下不致出现脆性破坏。为研究楼板刚度对结构的影响，建立了考虑楼板刚度、不考虑楼板刚度及单榀框架等3个计算模型，分析了主要杆件在这3个计算模型下受力的差异，结果表明，楼板刚度对主要杆件的受力有显著影响，但对不同的杆件受力影响有所不同，设计时须取3个计算模型下的包络结果进行设计。
上海世博文化中心整体建筑呈飞碟形，其屋盖为大跨度空间钢桁架结构，屋盖立柱支承于下部结构斜框架的顶部。由于建筑功能的特殊要求，屋盖悬挂大量附加荷载，矢跨比较小，屋盖结构设计综合考虑建筑造型、内部使用空间、下部结构受力以及施工安装等多方面的要求。对不同的屋盖结构体系进行比选，综合建筑要求、结构受力和施工难度等因素确定采用空间桁架结构体系，设置支承结构环梁和屋盖环向桁架可有效缓解屋盖的竖向变形；比较风洞试验结果和欧洲规范计算结果，对类似文化中心的扁平屋盖，按欧洲规范确定的风荷载的分布规律和数值具有一定的参考价值；屋盖结构与下部结构相互作用分析结果表明，设计中应充分考虑下部结构对屋盖结构的影响；为有效解决屋盖与下部结构受力的矛盾，提出上下兼顾的设计方法，即根据屋盖支座的约束条件将施工划分为两阶段：第1阶段屋盖支座为滑动支座，第2阶段屋盖与立柱为铰接；同时基于屋盖刚度需要和减小对下部结构的推力，采用施工顺序加载分析确定第1阶段屋盖上施加荷载的最大值和最小值。设计结果表明，屋盖结构既能满足建筑外形要求、复杂的功能要求，又具有结构受力合理、施工快速简便的特点。
世博中心是2010年上海世博会永久场馆之一，根据建筑特点抗侧力体系选用钢框架支撑结构体系。采用基于性能的消能减振抗震设计方法，在结构关键部位设置防屈曲耗能支撑（简称BRB），从而提高结构的抗震性能，降低主体结构的用钢量。结构计算结果表明：合理的结构布置可以解决结构平面超长、大空间多、质量分布不均匀等设计难题。结构设计进行了框架柱的计算长度确定、施工阶段模拟、楼面活荷载不利布置等专项分析。结构设计与绿色建筑理念相结合，既满足可持续发展和低碳建筑要求，也符合“城市，让生活更美好”上海世博会的主题。
结合世博中心工程，对防屈曲耗能支撑（BRB）体系的设计关键问题进行研究，包括结构抗震性能目标、BRB布置、BRB的节点设计、BRB产品验收标准等。对世博中心工程中采用的BRB进行足尺试验，试验结果表明：BRB具有较好的滞回性能，满足产品验收标准。BRB的承载力因应变强化和受压而提高，而且不同厂家的产品性能有一定差别，制订统一的产品验收标准是必要的。对耗能减震支撑结构进行静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析，追踪地震作用下结构的受力和变形发展过程，验证中震和大震作用下结构的抗震性能，满足结构抗震性能目标的要求。两种弹塑性分析结果均表明，合理布置BRB，在罕遇地震作用下可使BRB同步屈曲，整体结构具有较好的抗震性能。
西班牙国家馆是2010年上海世博会临时场馆之一。建筑包括多功能厅、展厅、餐厅、报告厅、SEEI办公和辅助用房。建筑造型借鉴了中国与西班牙共有的传统工艺——藤编，在该建筑立面呈现出柳条编织的篮子形状，体现了东方与西方、中国与西班牙相连的意境。西班牙馆建筑表现效果要求高，形态复杂，存在多处水平和竖向的空间扭转曲面，对结构设计提出了极大的挑战。从结构选型入手，提出几种不同的立面杆系布置方案，以结构性能参数为量化指标选取最优方案。在优选方案的基础上，对西班牙馆的结构体系、抗风抗震以及重要节点进行了分析与设计。分析表明：立面采用杆件正交布置的双层空间框架结构具有较好的受力、变形和抗震性能，相贯节点安全可靠。相关结构杆系选型和分析内容对类似复杂建筑形态结构设计有较好的参考价值。
新颖的建筑理念给世博会英国国家馆的结构设计带来许多研究课题，尤其是主展馆钢桁架-重型木结构以及亚克力刺杆的设计。钢桁架-重型木结构的研究与设计尚无经验可循，通过合理的结构设计理念及计算假定，运用两种思路对其进行比对设计，确保结构的整体力学性能、构件的强度和稳定以及结构位移等多项指标满足相关规范的要求。首先利用刚度等效的原则将钢-木混合结构等代为壳单元，用ROBOT软件对结构进行有限元建模分析，得出木结构壳单元的应力，对木结构构件进行设计；然后将钢楼板、木墙和木结构屋顶等代为交叉的工字形梁单元，用SAP2000软件进行校核。最后通过的亚克力刺杆进行风洞、疲劳以及徐变的试验研究，确定刺杆的风荷载效应，并确保其在1.5年服役期内疲劳、徐变效应下不产生破坏。
世博会阿联酋国家馆外形为两座沙丘，体型较为特殊。阿联酋馆为临时性建筑，世博会后将拆除并移至异地重新安装继续使用，故杆件间的连接均可拆卸。结构体系主要为单层网壳，节点采用了国内较少应用的螺栓连接节点。文中着重介绍了网壳螺栓连接节点的设计。结合节点试验研究与数值计算，确定螺栓连接节点刚度，并对节点抗弯刚度对结构整体稳定的影响进行了分析。研究结果表明：螺栓连接节点在网壳平面外为半刚性连接，试验得到的节点受弯承载力较数值分析结果偏大；节点抗弯刚度对网壳结构的周期和竖向变形影响较小，对结构整体稳定性影响较大。
世博会城市最佳实践区C-2场馆建筑造型新颖，结构形式独特。为体现水木相映的效果，钢柱采用细长柱，密布成多个圆筒，柱顶由圆弧形主梁连接，圆筒间次梁十字交叉布置。由于采用细长柱，为有效减小结构自重，楼面和屋面分别采用钢板楼面和亚克力面板。圆弧主梁受扭较大，通过理论分析，推导了箱形梁抗扭设计的实用公式，并采用有限元分析方法进行了验证。整体模型计算分析表明：结构自振特性与传统框架结构类似；细长柱密布成圆筒状能起到类似筒体的作用，但钢柱截面仍由侧向变形控制，应力比较小，相应的用钢量较大；圆弧主梁和周边钢梁受扭较大，利用推导的抗扭计算公式对结果再进行分析，由于采用了高强度钢材，应力比控制在较小水平，保证了结构的安全性。此外，还介绍了重要节点的处理方式和亚克力材料的结构性能。
对世博会临时场馆的抗震设计问题进行了系统的讨论。通过计算，得出乙、丙、丁三类临时场馆地震作用折减后的等效地震峰值加速度及抗震设防烈度，以及按实际使用年限为1年计算的临时结构抗震设防烈度。对地震烈度的概率统计模型进行了研究，并结合CECS 160:2004《建筑工程抗震性态设计通则》中提出的针对不同重要性类别结构引入不同设计基准期的概念，从抗震性态设计的角度对临时场馆的地震作用折减取值的合理性进行了分析。研究表明：按世博会临时建筑设计标准对地震作用进行折减是合理的。针对上海为7度抗震设防区，分析了在实际使用期1年中临时场馆遭受多遇烈度和设防烈度地震的安全性能，对临时场馆的抗震问题进行了综合评判。临时场馆在设防烈度地震作用下能达到“中震不倒”的要求，而遭受多遇烈度地震后结构是否破坏取决于结构构件延性的优劣。结合工程实例分析表明，在选择构件截面尺寸时受规格的限制，通常有一定的安全余量，因此在多遇烈度地震作用下临时场馆均能达到“小震不坏”的要求。
上海虹桥综合交通枢纽磁浮站采用混合框架结构、磁浮支承结构、地铁支承结构三者合一的结构型式。为了研究三合一结构体系能否达到预期的使用功能，采用动力时程分析，建立了合理的技术路线，研究并确定了三合一结构体系的分析模型与荷载工况，计算了磁浮和地铁列车动力荷载、建筑物荷载作用下三合一结构的反应。结果表明，在最不利的荷载组合工况下，各磁浮轨道梁下的支座绝对位移均在2mm以内，支座间相对弹性位移最大值为0.30mm；地铁轨道下基础底板出现2.5208mm的竖向位移，最大转角为0.000033rad，即轨面不平顺的变化率小于0.1%。根据相关标准和资料，磁浮和地铁列车可以正常运行，建筑结构可以正常使用，将建筑结构、磁浮支承结构、地铁支承结构进行一体化设计是可行的。
连体结构加剧了结构在地震作用下的受力复杂性，属不规则结构。以上海虹桥综合交通枢纽为工程背景，介绍了弱连体结构抗震设计方法在工程中的应用，并基于LS-DYNA程序开发了用于结构弹塑性时程分析的梁柱纤维单元，通过构件数值滞回加载与试验结果的比较，验证了梁柱纤维单元的适用性。采用多质点层模型进行粘滞阻尼器参数优化分析，并采用整体结构弹塑性模型进行罕遇地震作用计算，评价阻尼器参数设计的合理性和弱连体结构的抗震性能。分析结果表明：该工程弱连接设计是可行的，结构满足抗震性能要求。
为减少局部构件破坏引起结构连续倒塌的可能性，对虹桥综合交通枢纽东交通广场B3结构单元进行了3个单柱失效和1个双柱失效情况下的结构连续倒塌分析。采用有限元程序LS-DYNA对结构进行非线性动力分析，构件破坏判断标准参考美国国防部规范UFC4-023-03的要求。研究结果表明：在不同位置单柱失效情况下，该框架结构发生了局部破坏，但破坏限制在去除构件周围的一定范围内；支撑的存在可改变破坏路径；在双柱失效情况下，结构破坏范围明显加大，但最终破坏仍限制在局部范围，不会造成整体结构的连续坍塌。
上海世博500kV地下变电站是直径为130m的深埋圆筒形全地下结构，采用全逆作法施工。针对基坑工程特点，基坑开挖期间建立了全过程、全方位的监测系统，完整地记录了施工过程中围护结构的变形与内力和周边环境的变形。监测数据表明：围护结构的侧向变形明显小于相同开挖深度的其它基坑工程，地下连续墙呈现以水平受力为主的圆形结构特点，体现了圆形基坑环向受力的特点和利于变形控制的优点。该工程各项监测数据均在允许值范围之内，验证了相关设计参数的合理性和理论研究的正确性，为软土地区类似深基坑工程的设计和施工提供参考和借鉴。
上海世博500kV全地下变电站工程基坑直径130m，开挖深度34m，工程地处高水位软土地层，周边环境条件复杂，没有现成的工程经验可以借鉴，其设计和施工都遇到了全新的挑战。采用超深圆形基坑逆作法设计体系，基坑围护体系采用“两墙合一”地下连续墙。针对超深圆形基坑逆作法“两墙合一”地下连续墙设计：从施工能力、计算分析以及类似工程实践经验等方面对地下连续墙的厚度、入土深度的确定进行了分析；结合工程特点对超深地下连续墙槽段接头和成槽方法进行了专项设计；并对高地下水压力作用下的深埋圆筒形“两墙合一”地下连续墙的防水节点进行了设计。工程实施的结果表明，“两墙合一”地下连续墙所采取的一系列针对性的技术措施是成功的。
用于一般形状基坑的坑底抗隆起稳定分析方法因不能考虑圆形基坑环向土体挤压作用而不适合于圆形基坑的分析。基于非线性有限元提出了轴对称条件下基坑坑底抗隆起稳定分析的强度折减方法。研究表明：圆形基坑强度折减到破坏时的滑裂面形状与一般形状基坑的滑裂面形状相似，但圆形基坑的滑裂面并不通过围护墙墙底，而是通过墙底下方的土体。采用平面轴对称有限元的强度折减法分析得到的坑底抗隆起稳定系数较平面应变有限元强度折减分析得到的稳定系数高得多。当开挖深度很小时，圆形基坑具有较大的坑底抗隆起稳定系数；但其值随着开挖深度的增大而逐渐减小。圆形基坑的坑底抗隆起稳定系数随着围护墙插入比的增大呈线性增加。最后采用基于平面轴对称有限元的强度折减法分析了上海世博500kV地下变电站圆形基坑的坑底抗隆起稳定性。
上海世博500kV地下变电站抗拔桩桩端埋深为82.3m，开挖深度约34m，且开挖面积大，开挖土方量达450000m3。结合工程实际提出了深开挖条件下抗拔桩的分析与设计问题。对深开挖条件下抗拔桩开挖段侧摩阻力的扣除、开挖卸荷桩周土体围压减小引起的抗拔桩承载力损失及开挖卸荷基底土体回弹对桩产生预拉力等问题进行了分析。提出了一种双套管法实现开挖段侧摩阻力的扣除，得到有效桩长的抗拔承载力；采用有限元法和基于Mindlin解的简化分析方法预估大面积深开挖土体卸荷引起抗拔桩承载力损失比例；采用有限单元法分析基坑开挖卸荷土体回弹对桩身产生预拉力，并指出深开挖的桩身设计应进行开挖过程及正常使用阶段两个方面的抗拉强度的验算。
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