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摘要:世博会石油馆是2010年世博会浦西展区的一颗耀眼的明珠。石油馆建筑高度为21.25米，结构设计分为外框结构和室内展览结构两个结构体系，其中外框结构为单层钢结构，屋面采用空间双向正交桁架，柱采用H型钢柱；室内展览结构为三层钢框架结构，外框结构和室内展览结构设缝完全脱开形成两个独立的结构单元。简单介绍了石油馆结构设计中的桩基选型和设计、上部结构选型、上部结构布置、悬挑部位的处理、重要计算结果和主要节点设计等，可为类似的结构设计提供参考。
关键词:世博会石油馆，空间双向正交桁架，大悬挑，钢管桩，节点
Abstract：The world expo oil gallery is expo 2010 Shanghai area of a shining pearl. Oil museum building height of 21.25 m, structure design is divided into outer frame structure and indoor exhibition structure two structure system, including the box structure as a single layer steel structure, the two-way lattice truss roof space, the column H steel column; Indoor exhibition structure for three layer of steel frame structure, outside the box structure and indoor exhibition structure set off seam completely open form two independent units. Introduced the structure design of the pile foundation oil library selection and design, the upper structure selection, the upper structure layout, overhung parts processing, the important results and main node design, and so on, can be applied to the similar structure provides reference for the design.
Keywords: world expo oil museum, space two-way lattice truss, large cantilever, steel pipe pile, node
中图分类号： TU318文献标识码：A文章编号：
一、工程概況
2010年世界博览会石油馆位于上海市世博园区浦西D片区D11街坊D11-04(w)。该馆东临局门路，西接横穿世博园浦西园区的人行天桥，北依电力馆，南靠黄浦江。总占地面积为2973平方米，总建筑面积为6190平方米。作为浦西园区标志性企业馆之一，本工程建筑形体以石油能量体为构思初衷， 采用规整的体型和在入口处巨大的切角处悬挂大型三角形LED屏幕，给参观者以视觉冲击和感官体验。建筑物外壳采用石油输送管道纵横交错的肌理为特征自然与石油工业关联，外壳材质采用蓝色PC板，里面均匀分布LED灯，在夜幕下，石油馆幻化为晶莹剔透的油立方，成为世博园浦西园区的一道亮丽的风景线。实景照片如下：
图1 石油馆实景照片
本工程建筑高度为21.25米，结构设计时分为外框部分和室内展览部分两个独立的结构单元。其中外框结构为单层钢结构，层高21.25米；室内展览结构为三层钢结构框架结构，底层层高3.9米，二层层高5.3米，三层层高9米。根据世博局的要求，该展馆在世博会以后需拆除，设计过程中需考虑以后拆除方便。
二、地基基础设计
本工程地基基础和建筑桩基础设计等级均为丙级，工程场地勘探深度范围内地基土均形成于第四纪的全新世，主要由饱和的粘性土及粉性土组成，具有成层分布的特点。根据地勘报告，，场地土类型属软弱场地土，无液化土层。
根据场地状况以及绿色世博的要求，基础设计时，采用桩—承台基础。桩采用钢管桩以方便世界博览会结束后拔出。钢管桩为空心开口桩，桩长24m，单节桩长12m，两节桩之间采用连接板焊接连接，钢管桩外径为400mm，壁厚为8mm，持力层为第⑤1b层灰色粉质粘土层。单桩抗压承载力设计值Ra=600KN。按照现行规范进行地基变形验算：经计算，桩基最大沉降为29 mm，满足规范要求。钢管桩抗拉承载力大于桩的拔出力，可以从土中拔出。
三、上部结构设计
1.主要设计参数
结构设计基准期为50年，设计使用年限为1年。结构安全等级为二级。工程抗震设防烈度为7度（第一组），设计基本地震加速度为0.1g，建筑抗震设防类别为标准类。场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9s。基本风压按照上海市50年一遇的基本风压0.55 KN/m²。地面粗糙度取B类。钢结构温度效应整体考虑升温和降温各30℃两种情况。
2.结构选型
本工程外框部分短边跨度46.1米，切角部位悬挑达13.3米，并且根据甲方和参展方要求，室内屋顶需悬挂设备和展览物品，局部荷载达到3.5 KN/m²，室外切角部位悬挂LED屏幕处局部荷载达到6.0 KN/m²。结构设计时一般可供选择的结构类型有门式刚架结构、网架结构、桁架结构。
因结构局部悬挑很大，跨度相对较大，而且吊挂荷载较大，故选择采用门式刚架不适合、不经济而且不美观。
网架对于类似结构较多采用，但悬挑和局部吊挂荷载均较大，不经济，而且甲方和参展方对美观要求很高，基本否决此方案。
屋面采用空间双向正交管桁架结构，有较好的刚度和受力效果，并且较经济，也能满足甲方和测展方的美观要求。并且各设备管线可以在桁架的腹部中穿行，能有效节省空间高度。故最终屋面选择此结构类型。柱采用H型焊接刚柱。
图2 外框结构三维轴测示意图
本工程室内展览部分是与外框结构设缝脱开的独立结构单元，因其建筑造型奇特，平面分割复杂，标高系统多变，故采用钢框架结构体系，能较好满足展览区域造型多变的需求，并且便于施工和以后的拆除。
3.结构布置
外框部分屋顶短边跨度46.1米，标准跨柱距为6.7米，屋顶采用空间管桁架，柱采用H型焊接钢柱。考虑跨度以及切角部位的悬挑要求，桁架高度最低处取2.5米，由于屋面采取结构找坡，桁架高度最高处取3.2米，桁架下弦水平。桁架上弦杆件截面大小为Φ299X10，腹杆截面大小为Φ180X8，下弦杆件截面大小为Φ351X14。桁架下部四周H型钢柱高度为18.6米，柱截面大小为H1000X400X12X20mm。在X和Y两个方向外墙端头第二跨，均设置竖向交叉支撑，支撑截面大小为Φ159X8（钢管）；在水平高度每隔6m设置一道柱间系杆，系杆截面大小为Φ159X6（钢管）。H型钢柱、竖向支撑以及柱间系杆共同构成结构的竖向抗侧力体系（见图2和图3）。结构受力构件钢材材质均采用Q345B钢。
切角处因悬挑尺寸较大，且下部需悬挂LED屏幕及其设备机组，如在悬挑处下缘用斜杆件作为悬挑端的支撑，则此斜杆长度需要近50米长，且截面尺寸很大，如此则影响建筑立面效果，同时斜杆可提供很大水平扭转刚度，对结构的整体扭转刚度分布很不利。故切角处LED屏幕从屋顶桁架吊挂下来，这样结构传力比较明晰，刚度分布均匀。因悬挑尺寸和悬挑荷载均较大，故采用屋面桁架双向悬挑，且将悬挑部位的局部杆件加大加强，悬挑部位下的桁架支座也做加强处理，以确保结构安全。 悬挑部位在图中注明预起拱。
图3 外框结构屋面布置图
室内展览部分采用钢框架结构体系，柱采用方钢管和圆钢管，方管柱子截面大小为350x350x16，圆管柱大小为500X20。梁采用焊接H型钢梁，梁和柱均采用刚接连接。楼面采用闭口压型钢板混凝土楼面。
4.结构计算
外框部分的结构计算采用MIDAS作为主要计算软件，并用MTS空间计算软件进行校核。
计算时候考虑扭转耦联，并考虑偶然偏心的影响。多遇地震和风荷载作用下的主要计算结果见表1。由表1可知，两种程序的计算结果基本规律一致，相互符合，且计算结果符合现行规范要求。
两种软件计算对照表 表1
5.悬挑处风荷载计算
外框部分的切角处因悬挑尺寸较大，结构计算时分别考虑了风荷载的压力和吸力的两种组合，经计算，结构的变形和强度均满足规范要求。在各种荷载作用下屋面中心处下挠最大变形为106mm，悬挑处挠度为36mm。结构竖向变形图如下：
图4 外框结构变形图
四、主要节点设计
1.外框柱脚节点
外框部分的结构柱因高度较高，且局部柱上有悬挑物，导致柱底弯矩较大，故选择插入式柱脚。为提高柱脚的可靠性，对柱脚的设计，除了考虑了规范要求的地震组合外，还提取了结构中震下的柱底反力，按照中震弹性的要求，复核柱脚的抗弯、抗剪、抗压的承载力。
图5 柱脚节点
2.桁架支座节点
考虑到屋面跨度和荷载均较大，而且兼顾释放屋面温度应力要求，桁架支座节点采用盆式橡胶支座。支座由厂家根据设计荷载制作。支座上的桁架下弦杆件的大小和厚度，均根据局部强度和稳定性计算确定。节点详图如下：
图6 桁架支座节点
五、结语
屋面双向正交桁架在大悬挑、大荷载、大跨度中的运用，有效的减少了构件尺寸、节省了空间、降低了造价。室内展览部分采用钢框架结构，较好满足展览的需求，并且便于施工和以后的拆除。现世博会石油馆已经拆除并且异地重建，在石油馆建设、使用以及拆除各阶段中，均显示出结构选型是合理的，结构设计也是成功的。石油馆的结构设计满足业主的要求，满足建筑和设备各专业要求，同时也博得广大参观者喜爱。2011年世博会石油馆被上海市建筑协会评为设计综合三等奖。
参考文献
[1]GB 50011-2001（2008版） 建筑抗震设计规范[S]。北京：中国建筑工业出版社，2008。
[2]GB 50017-2003 钢结构设计规范[S]。北京：中国计划出版社，2003
[3]DG/TJ08-52-2004空间格构结构设计规程[S]。上海：上海市建设工程标准定额管理总站，2005
[4]王秀丽，大跨度空间钢结构分析与概念设计[M]。北京：机械工业出版社，2008
[5]丁云孫等，网架网壳设计与施工[M]。北京：中国建筑工业出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:世博会石油馆，空间双向正交桁架，大悬挑，钢管桩，节点
Abstract：The world expo oil gallery is expo 2010 Shanghai area of a shining pearl. Oil museum building height of 21.25 m, structure design is divided into outer frame structure and indoor exhibition structure two structure system, including the box structure as a single layer steel structure, the two-way lattice truss roof space, the column H steel column; Indoor exhibition structure for three layer of steel frame structure, outside the box structure and indoor exhibition structure set off seam completely open form two independent units. Introduced the structure design of the pile foundation oil library selection and design, the upper structure selection, the upper structure layout, overhung parts processing, the important results and main node design, and so on, can be applied to the similar structure provides reference for the design.
Keywords: world expo oil museum, space two-way lattice truss, large cantilever, steel pipe pile, node
中图分类号： TU318文献标识码：A文章编号：
一、工程概況
2010年世界博览会石油馆位于上海市世博园区浦西D片区D11街坊D11-04(w)。该馆东临局门路，西接横穿世博园浦西园区的人行天桥，北依电力馆，南靠黄浦江。总占地面积为2973平方米，总建筑面积为6190平方米。作为浦西园区标志性企业馆之一，本工程建筑形体以石油能量体为构思初衷， 采用规整的体型和在入口处巨大的切角处悬挂大型三角形LED屏幕，给参观者以视觉冲击和感官体验。建筑物外壳采用石油输送管道纵横交错的肌理为特征自然与石油工业关联，外壳材质采用蓝色PC板，里面均匀分布LED灯，在夜幕下，石油馆幻化为晶莹剔透的油立方，成为世博园浦西园区的一道亮丽的风景线。实景照片如下：
图1 石油馆实景照片
本工程建筑高度为21.25米，结构设计时分为外框部分和室内展览部分两个独立的结构单元。其中外框结构为单层钢结构，层高21.25米；室内展览结构为三层钢结构框架结构，底层层高3.9米，二层层高5.3米，三层层高9米。根据世博局的要求，该展馆在世博会以后需拆除，设计过程中需考虑以后拆除方便。
二、地基基础设计
本工程地基基础和建筑桩基础设计等级均为丙级，工程场地勘探深度范围内地基土均形成于第四纪的全新世，主要由饱和的粘性土及粉性土组成，具有成层分布的特点。根据地勘报告，，场地土类型属软弱场地土，无液化土层。
根据场地状况以及绿色世博的要求，基础设计时，采用桩—承台基础。桩采用钢管桩以方便世界博览会结束后拔出。钢管桩为空心开口桩，桩长24m，单节桩长12m，两节桩之间采用连接板焊接连接，钢管桩外径为400mm，壁厚为8mm，持力层为第⑤1b层灰色粉质粘土层。单桩抗压承载力设计值Ra=600KN。按照现行规范进行地基变形验算：经计算，桩基最大沉降为29 mm，满足规范要求。钢管桩抗拉承载力大于桩的拔出力，可以从土中拔出。
三、上部结构设计
1.主要设计参数
结构设计基准期为50年，设计使用年限为1年。结构安全等级为二级。工程抗震设防烈度为7度（第一组），设计基本地震加速度为0.1g，建筑抗震设防类别为标准类。场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9s。基本风压按照上海市50年一遇的基本风压0.55 KN/m²。地面粗糙度取B类。钢结构温度效应整体考虑升温和降温各30℃两种情况。
2.结构选型
本工程外框部分短边跨度46.1米，切角部位悬挑达13.3米，并且根据甲方和参展方要求，室内屋顶需悬挂设备和展览物品，局部荷载达到3.5 KN/m²，室外切角部位悬挂LED屏幕处局部荷载达到6.0 KN/m²。结构设计时一般可供选择的结构类型有门式刚架结构、网架结构、桁架结构。
因结构局部悬挑很大，跨度相对较大，而且吊挂荷载较大，故选择采用门式刚架不适合、不经济而且不美观。
网架对于类似结构较多采用，但悬挑和局部吊挂荷载均较大，不经济，而且甲方和参展方对美观要求很高，基本否决此方案。
屋面采用空间双向正交管桁架结构，有较好的刚度和受力效果，并且较经济，也能满足甲方和测展方的美观要求。并且各设备管线可以在桁架的腹部中穿行，能有效节省空间高度。故最终屋面选择此结构类型。柱采用H型焊接刚柱。
图2 外框结构三维轴测示意图
本工程室内展览部分是与外框结构设缝脱开的独立结构单元，因其建筑造型奇特，平面分割复杂，标高系统多变，故采用钢框架结构体系，能较好满足展览区域造型多变的需求，并且便于施工和以后的拆除。
3.结构布置
外框部分屋顶短边跨度46.1米，标准跨柱距为6.7米，屋顶采用空间管桁架，柱采用H型焊接钢柱。考虑跨度以及切角部位的悬挑要求，桁架高度最低处取2.5米，由于屋面采取结构找坡，桁架高度最高处取3.2米，桁架下弦水平。桁架上弦杆件截面大小为Φ299X10，腹杆截面大小为Φ180X8，下弦杆件截面大小为Φ351X14。桁架下部四周H型钢柱高度为18.6米，柱截面大小为H1000X400X12X20mm。在X和Y两个方向外墙端头第二跨，均设置竖向交叉支撑，支撑截面大小为Φ159X8（钢管）；在水平高度每隔6m设置一道柱间系杆，系杆截面大小为Φ159X6（钢管）。H型钢柱、竖向支撑以及柱间系杆共同构成结构的竖向抗侧力体系（见图2和图3）。结构受力构件钢材材质均采用Q345B钢。
切角处因悬挑尺寸较大，且下部需悬挂LED屏幕及其设备机组，如在悬挑处下缘用斜杆件作为悬挑端的支撑，则此斜杆长度需要近50米长，且截面尺寸很大，如此则影响建筑立面效果，同时斜杆可提供很大水平扭转刚度，对结构的整体扭转刚度分布很不利。故切角处LED屏幕从屋顶桁架吊挂下来，这样结构传力比较明晰，刚度分布均匀。因悬挑尺寸和悬挑荷载均较大，故采用屋面桁架双向悬挑，且将悬挑部位的局部杆件加大加强，悬挑部位下的桁架支座也做加强处理，以确保结构安全。 悬挑部位在图中注明预起拱。
图3 外框结构屋面布置图
室内展览部分采用钢框架结构体系，柱采用方钢管和圆钢管，方管柱子截面大小为350x350x16，圆管柱大小为500X20。梁采用焊接H型钢梁，梁和柱均采用刚接连接。楼面采用闭口压型钢板混凝土楼面。
4.结构计算
外框部分的结构计算采用MIDAS作为主要计算软件，并用MTS空间计算软件进行校核。
计算时候考虑扭转耦联，并考虑偶然偏心的影响。多遇地震和风荷载作用下的主要计算结果见表1。由表1可知，两种程序的计算结果基本规律一致，相互符合，且计算结果符合现行规范要求。
两种软件计算对照表 表1
5.悬挑处风荷载计算
外框部分的切角处因悬挑尺寸较大，结构计算时分别考虑了风荷载的压力和吸力的两种组合，经计算，结构的变形和强度均满足规范要求。在各种荷载作用下屋面中心处下挠最大变形为106mm，悬挑处挠度为36mm。结构竖向变形图如下：
图4 外框结构变形图
四、主要节点设计
1.外框柱脚节点
外框部分的结构柱因高度较高，且局部柱上有悬挑物，导致柱底弯矩较大，故选择插入式柱脚。为提高柱脚的可靠性，对柱脚的设计，除了考虑了规范要求的地震组合外，还提取了结构中震下的柱底反力，按照中震弹性的要求，复核柱脚的抗弯、抗剪、抗压的承载力。
图5 柱脚节点
2.桁架支座节点
考虑到屋面跨度和荷载均较大，而且兼顾释放屋面温度应力要求，桁架支座节点采用盆式橡胶支座。支座由厂家根据设计荷载制作。支座上的桁架下弦杆件的大小和厚度，均根据局部强度和稳定性计算确定。节点详图如下：
图6 桁架支座节点
五、结语
屋面双向正交桁架在大悬挑、大荷载、大跨度中的运用，有效的减少了构件尺寸、节省了空间、降低了造价。室内展览部分采用钢框架结构，较好满足展览的需求，并且便于施工和以后的拆除。现世博会石油馆已经拆除并且异地重建，在石油馆建设、使用以及拆除各阶段中，均显示出结构选型是合理的，结构设计也是成功的。石油馆的结构设计满足业主的要求，满足建筑和设备各专业要求，同时也博得广大参观者喜爱。2011年世博会石油馆被上海市建筑协会评为设计综合三等奖。
参考文献
[1]GB 50011-2001（2008版） 建筑抗震设计规范[S]。北京：中国建筑工业出版社，2008。
[2]GB 50017-2003 钢结构设计规范[S]。北京：中国计划出版社，2003
[3]DG/TJ08-52-2004空间格构结构设计规程[S]。上海：上海市建设工程标准定额管理总站，2005
[4]王秀丽，大跨度空间钢结构分析与概念设计[M]。北京：机械工业出版社，2008
[5]丁云孫等，网架网壳设计与施工[M]。北京：中国建筑工业出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。