1 工程概況

牛河梁紅山文化遺址群被評為“中國20世紀(jì)100項考古大發(fā)現(xiàn)”之一，為距今約5000多年的大型祭壇、女神廟和積石冢群址，由壇、“廟”、冢等20余處地點組成，保護(hù)范圍58.95平方公里，其中Ⅱ號地點呈東西向狹長區(qū)域（圖1），東西向長140m，南北向長50m，為五冢一壇，南側(cè)43m處為錦承鐵路，北側(cè)緊鄰101國道。

基于文物保護(hù)的要求，對Ⅱ號點保護(hù)篷結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了如下要求：為避免切割遺址，跨度要足夠大；為減小結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)對遺址的干擾，結(jié)構(gòu)要足夠輕、拱推力要足夠小?？傊?，必須要保證遺址的完整性。

在上述設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，保護(hù)篷結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案汲取牛河梁遺址典型出土文物——“玉豬龍”的造型和幾何形式，將大跨度結(jié)構(gòu)體系與靈活的展示空間有機(jī)結(jié)合。結(jié)構(gòu)通過頂部穹隆將天光引入，創(chuàng)造靜謐神圣的光影效果，如圖2（a）所示；保護(hù)篷平面為橢圓形，長軸約161m，寬約53m，矢高約17m，見圖2（b），施工現(xiàn)場見圖2（c）。

2 結(jié)構(gòu)特點

Ⅱ號地點遺址分布區(qū)域狹長，保護(hù)篷建筑為狹長橢球體造型，橢球幾何體的拱推力學(xué)作用及超長鋼結(jié)構(gòu)在溫度作用下的水平作用效應(yīng)均很突出。在主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置外環(huán)桁架，改善鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能；在樁基頂設(shè)置基礎(chǔ)環(huán)梁，可將水平承載與單樁不利狀態(tài)轉(zhuǎn)換成群樁承載的有利工作狀態(tài)。但由于長軸與短軸的長度之比達(dá)到3.1，無論是主體鋼結(jié)構(gòu)還是基礎(chǔ)，在長軸區(qū)域的環(huán)向構(gòu)件由于曲率半徑過大，均不能產(chǎn)生環(huán)箍約束效應(yīng)，也就是徑向水平推力無法得到有效約束。如果主體鋼結(jié)構(gòu)的水平推力不能得到有效解決，將會對基礎(chǔ)產(chǎn)生大偏心作用，從而難以實現(xiàn)對遺址擾動最小的遺址保護(hù)設(shè)計目標(biāo)。

2   主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 上部鋼結(jié)構(gòu)

基于保護(hù)篷空間跨度大、對遺址擾動小的設(shè)計原則，同時為滿足建筑室內(nèi)空間效果和功能要求，主體鋼結(jié)構(gòu)選用平面鋼管相貫桁架結(jié)構(gòu)體系，主要由內(nèi)環(huán)桁架、外環(huán)桁架、徑向桁架和支撐系統(tǒng)組成。整體模型如圖3所示。

保護(hù)篷建筑為橢球體，結(jié)構(gòu)中部為直徑15m的“天眼”，長短軸之比為3.1，短軸最大跨度只有56m。建筑的室內(nèi)效果要求結(jié)構(gòu)從天眼沿徑向設(shè)置36榀平面徑向桁架，利用“天眼”從脊到谷的內(nèi)凹圓柱面設(shè)置高2.5m的內(nèi)環(huán)桁架，在構(gòu)造“天眼”局部結(jié)構(gòu)的同時，也為整體鋼結(jié)構(gòu)提供了強有力的內(nèi)部彈性支撐體系，增強了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，變不利因素為有利因素。徑向桁架從支座到天眼內(nèi)環(huán)桁架跨度由19～71m不等，且從短軸到長軸0.9～2.2m變高度布置。

對于平面桁架，支撐體系的設(shè)置對于建筑的室內(nèi)效果、結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性能有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)平面桁架上弦全部受壓，下弦主要受拉、局部受壓且壓力較小的力學(xué)特點，將交叉支撐布置于桁架上弦，下弦平面僅在受壓區(qū)設(shè)置環(huán)向系桿；在靠近支座處設(shè)置外環(huán)桁架，加強鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的同時，可有效減小短軸處的水平推力。

2.2連接支座性能化設(shè)計

保護(hù)篷主體鋼結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的連接支座采用徑向有限位移的彈性滑動支座，適度釋放結(jié)構(gòu)的徑向水平推力。

2.3 地基基礎(chǔ)

基于對遺址擾動最小的原則，基礎(chǔ)設(shè)計采用大直徑人工挖孔樁，樁徑為800mm。

3   鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)篷性能化設(shè)計

3.1  結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

抗震性能目標(biāo)是：在小震下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)；在中震下，結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)；在大震下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不屈服。選取1條人工波和2條地震波（El Centro波、Taft波），對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下彈性時程分析（圖4）及罕遇地震作用下的彈塑性時程分析（圖5,6）。

3.2   結(jié)構(gòu)靜力延性性能設(shè)計

根據(jù)滑動支座剛度的不同及下弦是否設(shè)置系桿,對6個不同模型進(jìn)行分析計算，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力必須是同時考慮幾何非線性和材料非線性，否則可能因過高地估計了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力而造成結(jié)構(gòu)不安全。

3.3   抗連續(xù)倒塌設(shè)計

采取拆除支座的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌能力分析,結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力較強，結(jié)構(gòu)不會因為單個支座或連續(xù)兩個支座在偶然狀態(tài)下失效而連續(xù)倒塌，甚至在某個支座失效的狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)依然處于彈性狀態(tài)；若連續(xù)三個支座失效，結(jié)構(gòu)的豎向位移雖大幅增大，但基本上不會出現(xiàn)連續(xù)倒塌。

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