國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)承載性能試驗(yàn)研究

1、國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)承載性能試驗(yàn)研究程 明  石永久  王元清羅 憶  徐 慷（1清華大學(xué)建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)研究所  北京 100084）  （晶藝玻璃工程有限公司  珠海 519015） 摘要：國(guó)家大劇院的屋面系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)層、防水層和裝飾層。防水屋面板采用Kalzip鋁合金板，裝飾層通過連接件固定于屋面板的板肋上。外部荷載主要由屋面板承擔(dān)，進(jìn)而傳遞到檁條上。本文通過試驗(yàn)研究了屋面系統(tǒng)在各種主要荷載作用下的承載能力，試驗(yàn)的結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：國(guó)家大劇院；屋面系統(tǒng)；荷載；位移1.工程概況  &#

2、160; 國(guó)家大劇院的屋面系統(tǒng)是采用了Kalzip板作為防水層的新型屋面系統(tǒng)（圖1）。圖1  國(guó)家大劇院     國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)可分為結(jié)構(gòu)層，防水層和裝飾層（圖2）。結(jié)構(gòu)層由橫向和縱向方通檁條組成，固定于主鋼結(jié)構(gòu)上；防水層由Kalzip鋁合金板組成，通過鎖邊固定于T碼上，T碼固定于檁條上；裝飾層通過連接件固定于Kalzip板的板肋上。圖2  屋面系統(tǒng)2. 試驗(yàn)?zāi)康?#160;   為配合工程的設(shè)計(jì)與施工，驗(yàn)證這種新型屋面系統(tǒng)的承載性能和可靠性，選取了屋面板的代表性單元進(jìn)行等比例模型加載試驗(yàn)。在試驗(yàn)中觀

3、測(cè)屋面系統(tǒng)在常見荷載下的荷載-位移關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 3. 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試內(nèi)容    該試驗(yàn)分為6組進(jìn)行，編號(hào)為A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、B-1，分別測(cè)量不同荷載下國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)的承載力性能（表1）。表1  測(cè)試內(nèi)容試驗(yàn)編號(hào)荷載類型連接件位置連接件類型設(shè)計(jì)荷載（kN）A-1風(fēng)吸力大1.0A-2風(fēng)吸力小1.0A-3清洗車重力產(chǎn)生的水平力板跨中大2.0A-4清洗車重力產(chǎn)生的水平力T碼上大2.0A-5上人荷載小2.0B-1水平力作用下屋面板固定點(diǎn)的螺栓孔滑移3.0    A-1A-4及

4、B-1采用手動(dòng)轱轆加載，A-5用油壓千斤頂加載，用測(cè)力計(jì)和位移計(jì)分別測(cè)量荷載和位移，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。圖3和圖4分別顯示了A-1和A-5試驗(yàn)的加載示意圖，其他四個(gè)試驗(yàn)設(shè)備與A-1相同，只是加載方向和測(cè)點(diǎn)布置不同。圖5、圖6、圖7顯示了A-1、A-2、A-3、A-4四組試驗(yàn)的荷載布置和測(cè)點(diǎn)布置。圖3  A-1加載示意圖圖4  A-5加載示意圖圖圖5  A-1A-4試驗(yàn)荷載布置圖（俯視圖）    注：A-1與A-2試驗(yàn)只對(duì)一個(gè)連接件加載；A-3與A-4試驗(yàn)通過在連接件上固定夾具（圖6）與鋼管，同時(shí)對(duì)兩個(gè)連接件加載，以便布置更多的測(cè)點(diǎn)。圖6&

5、#160; A-1A-4試驗(yàn)荷載布置圖（側(cè)視圖）    注：左面連接件虛線表示A-1，實(shí)線表示A-2，為了表達(dá)方便將兩個(gè)連接件畫在一起。該圖中G（1kN）表示施加在一個(gè)連接件上的荷載，而圖5中2G（2kN）表示施加在兩個(gè)連接件的荷載。圖7  A-1A-4試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖    注：連接件1對(duì)應(yīng)圖5中A-3與A-4試驗(yàn)中偏上的連接件。連接件2對(duì)應(yīng)圖5中A-3與A-4試驗(yàn)中偏下的連接件以及A-1與A-2試驗(yàn)的連接件。A-1A-4試驗(yàn)分別在四塊板上獨(dú)立進(jìn)行。A-3和A-4試驗(yàn)用到全部4個(gè)測(cè)點(diǎn)，A-1和A-2試驗(yàn)只用到圖7中右圖的測(cè)點(diǎn)

6、1。圖8  A-5試驗(yàn)荷載布置圖（側(cè)視圖）     圖8為A-5試驗(yàn)的加載示意圖，其中的測(cè)點(diǎn)只用圖7中右圖的測(cè)點(diǎn)1。圖9  B-1試驗(yàn)荷載布置圖（側(cè)視圖） 圖10  B-1試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖     圖9、圖10顯示了B-1試驗(yàn)的荷載布置和測(cè)點(diǎn)布置。位移計(jì)5和6用來(lái)測(cè)量螺栓孔的位移，位移計(jì)7用來(lái)測(cè)量底座的位移。 4.  試驗(yàn)結(jié)果及分析    6組試驗(yàn)選取了屋面板的代表性單元進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表2。  

7、0; 由于手動(dòng)轱轆和油壓千斤頂不能很好的控制荷載大小，所以在每個(gè)加載循環(huán)中荷載的步距都不統(tǒng)一；但是各個(gè)加載循環(huán)的荷載-位移曲線還是基本一致的。                                      &

8、#160;                           表2  測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)編號(hào)設(shè)計(jì)荷載（kN）試驗(yàn)最大重復(fù)荷載（kN）設(shè)計(jì)荷載下的測(cè)試結(jié)果A-11.01.5線彈性；最大位移（板面垂直位移）2.0mmA-21.01.5線彈性；最大位移（板面垂直位移）3.5mmA-32.02.5線彈性；最大位移（夾具頂點(diǎn)水平位移）2.5m

9、mA-42.02.3線彈性；最大位移（夾具頂點(diǎn)水平位移）2.8mmA-52.02.0線彈性；最大位移（板面垂直位移）9.0mmB-13.08.0線彈性；最大位移（螺栓孔滑移）0.8mm 4.1 A-1、A-2試驗(yàn)結(jié)果分析    A-1和A-2測(cè)量屋面系統(tǒng)在風(fēng)吸力下的荷載-位移關(guān)系。A-2的第一個(gè)加載階段與后面的加載循環(huán)差異很大，這是因?yàn)榈?次加載時(shí)連接件會(huì)產(chǎn)生滑移，這種滑移通過一次加載就可以消除。在后面幾組試驗(yàn)中，可能會(huì)出現(xiàn)類似的情況，原因是一樣，以后就不再重復(fù)了。以后對(duì)各組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，只討論第1次加載循環(huán)以外的數(shù)據(jù)據(jù)。  

10、                                                  

11、     圖11  試驗(yàn)A-1、A-2荷載位移曲線     對(duì)A-1、A-2試驗(yàn)，當(dāng)荷載達(dá)到1.4kN時(shí)，板的荷載-位移曲線仍然表現(xiàn)出線彈性，此時(shí)A-1的位移為1.9mm，A-2的位移為2.6mm，這是因?yàn)锳-1的連接件比A-2的大，所以應(yīng)力集中小，位移就小。在荷載設(shè)計(jì)值F=1.0kN的作用下，A-1板的垂直位移為大約為1.3mm，A-1板的平面外位移大約為1.8mm，撓度< L/200。 4.2 A-3、A-4試驗(yàn)結(jié)果分析    A-3、A-4測(cè)量

12、屋面系統(tǒng)在清洗車重力作用下的荷載-位移關(guān)系。A-3和A-4試驗(yàn)除了連接件的位置有差別，其余條件完全一樣。試驗(yàn)中，兩個(gè)平行的連接件通過一根鋁圓管連接在一起，同時(shí)承受荷載。于是荷載設(shè)計(jì)值便成為2.0kN。理想情況下，兩個(gè)連接件的荷載均為1.0kN，實(shí)際加載時(shí)會(huì)有偏差（圖12、13）。圖12  試驗(yàn)A-3荷載位移曲線圖13  試驗(yàn)A-4荷載位移曲線     （1）測(cè)點(diǎn)1測(cè)量連接件與加載方向相反的一端的翹起，由于沒有測(cè)量連接件另一端的豎向位移，所以只用測(cè)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)不能計(jì)算連接件的轉(zhuǎn)角。A-3與A-4試驗(yàn)中，當(dāng)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值G=2.0kN時(shí)，測(cè)

13、點(diǎn)1的位移基本相同，約為0.35mm。因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)提到加載不對(duì)稱，而測(cè)點(diǎn)1只測(cè)量了一個(gè)連接件的豎向位移，所以我們不能通過上面的結(jié)果判斷出連接件在不同位置時(shí)，其與加載方向相反一端的翹起相同。測(cè)量該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)只是為了驗(yàn)證其它測(cè)點(diǎn)。    （2）測(cè)點(diǎn)4測(cè)量連接件的水平位移，當(dāng)水平荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值G=2.0kN時(shí)，A-3中連接件水平位移為0.15mm，A-4中連接件水平位移為0.25mm?？梢娺B接件的水平位移都很小，對(duì)屋面系統(tǒng)影響最大的是連接件的扭轉(zhuǎn)。    （3）測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3測(cè)量連接件頂端的水平位移，與測(cè)點(diǎn)4結(jié)合可以計(jì)算連接件的轉(zhuǎn)角。測(cè)量?jī)?/p>

14、個(gè)連接件的同一位移，是考慮荷載不對(duì)稱的影響。兩組試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)3、4的位移相差較大，說明加載時(shí)對(duì)稱性不好。圖14顯示了A-3和A-4連接件頂點(diǎn)水平位移平均值的比較（考慮底座位移的影響）。A-4比A-3連接件頂點(diǎn)位移大，由圖6可知A-4連接件兩邊的板的旋轉(zhuǎn)約束比A-3差，所以這個(gè)結(jié)果是合理的。圖14  A-3與A-4連接件定點(diǎn)位移的比較 4.3 A-5試驗(yàn)結(jié)果分析    圖15顯示的是試驗(yàn)A-5的荷載位移曲線。在設(shè)計(jì)人重力荷載的作用下（最大200kg），整個(gè)屋面板系統(tǒng)為彈性變形（位移為6.6mm），未發(fā)生破損，且撓度<L/200。圖1

15、5  試驗(yàn)A-5荷載位移曲線 4.4 B-1試驗(yàn)結(jié)果分析    如圖10，測(cè)點(diǎn)7測(cè)量底座的位移，測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6測(cè)量螺栓孔的位移，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)合可以求出螺栓孔的相對(duì)位移。    與前三組試驗(yàn)不同，B-1只進(jìn)行了兩個(gè)加載循環(huán)。在測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6的荷載-位移曲線中，第一加載循環(huán)的卸載段和第二加載循環(huán)的卸載段基本重合，可以認(rèn)為第二加載循環(huán)的荷載-位移曲線可以真實(shí)的表示板在試驗(yàn)荷載下的荷載-位移關(guān)系（圖16）。    試驗(yàn)中施加最大荷載為8.0kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載最大值F=3.0kN

16、。但是在8.0kN的作用下，螺栓孔的荷載-位移關(guān)系仍然是線彈性的。                              圖16  試驗(yàn)B-1荷載位移曲線     在設(shè)計(jì)荷載F=3.0kN的作用下，底座位移約為0.02mm，測(cè)點(diǎn)5測(cè)得的螺栓孔位移為0.12

17、mm，測(cè)點(diǎn)6測(cè)得的螺栓孔位移為0.16mm。由此可以得出螺栓孔在F=3.0kN作用下的平均相對(duì)位移為0.12mm，小于規(guī)定的0.2mm（螺栓孔徑6）。 5.  結(jié)論    從上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：    （1）國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)在設(shè)計(jì)荷載作用下的承載能力滿足要求，在設(shè)計(jì)荷載下均未發(fā)生損傷和破壞。    （2）在設(shè)計(jì)荷載作用下，屋面系統(tǒng)的變形為線彈性的，這樣就保證在正常使用階段，屋面系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生永久變形。    （3）連接件與板肋連接處在初次加載時(shí)容易產(chǎn)生滑移，在施工時(shí)需要注意使連接件與板緊密連接。   參考文獻(xiàn)1 祝伯學(xué)