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第36卷第9期
建筑结构
2006年9月
国家大剧院水池结构预应力设计与施工
仝为民秦杰
刘季康
(北京市建筑工程研究院北京100039)(北京市建筑设计研究院北京10005)
[提要」国家大悶院的水池结构属于超长结构,对超长水池结构的温度应力问题,除考虑了在配筋中增加普
通温度钢筋,在混凝土材料中添加微膨胀剂和设置后浇带解决混凝土的收缩徐变等几种措施外,主要是采用
了预应力的方法控制变形和抑制裂缝的产生。介绍了国家大剧院超长水池结构温度应力的计算、预应力的设
计和施工要点。
关键词]超长结构温度应力预应力
PRC Pool Structure in the National Grand Theatre/Tong Weimin, Qin Jie, Liu Jikang(1 Beijing Building Construction
Research Institute, Beijing 100039, China; 2 Beijing Institute of Architectural Design&Research, Beijing 100045, China)
Abstract: The pool structure of the National Grand Theatre is an overlong conerete structure To solve the problem of temperature
stress, the method of prestressed concrete as well as the measures of adding steel bar or tiny expand material in concrete, or setting
st cast strip, are used to decrease concrete shrink and creep. The stress and strain of structure in temperature field, the points of
main influence of temperature stress, and the design and construction of the pool structure are discussed
Keywords: overlong structure; temperature stress; prestress; concrete
1工程概况
水池部位
1.1水池概况
201g?01
国家大剧院的建筑效果是一个巨大的椭圆形金属
201区
和玻璃组成的巨型钢球売,浸泡在一个近4万m2的椭
圆形混凝土水池中,见图1,中间椭圆形部位为大剧院
交签大刚院ま体部分
的主体结构部分。水池的平均深度仅为45cm,水池实
际由8个独立的水池22个区格组成,整个水池与下面
的基础联接成整体。在水池的南、北地下通廊处各有
203区
两根大梁,整个水池通过这四根梁连接成整体,通廊的
池部
上面是由钢结构和玻瑢组成的透明池底。水池的总盛
水量约为2万t。水池底板的混凝土板厚为680m,混
凝土等级为C40。该工程结构施工图设计是由北京建
图1大剧院水池平面示意图
筑设计院负责,预应力工程由北京市建筑工程研究院用功能不同,部分水池的下面有停车场,汽车和人行通
参与设计与施工
道,部分下面有设备和公用设施用房。所以部分水池
国家大剧院的水池结构属于超长结构,水池结构的下面是地下车库的顶板,部分水池靠剪力墙和柱支
的外平面轮廓尺寸为255mx260m,在该水池的结构设撑(图2)。为达到使水池结构尽量可以产生自由滑
计中,水荷载对结构受力的影响是次要的,对结构主要移,在水池底部的支撑体系设计上尽可能多地采用了
的影响是超长水池结构受温度变化作用的影响。对于可滑动支座。桩与水池采用可滑动支座连接,部分剪
国家大剧院这样的标志性建筑,要控制大面积的混凝力墙与水池也采用可滑动支座,在约東集中的地下车
土水池结构不产生大的混凝土裂缝,不开裂漏水,是水库和部分区域的竖向结构与水池底板则以固接的方法
池结构设计的关键。
连接,控制水池的整体位移。
1.2大剧院水池下部结构
2水池结构预应力设计原则
大剧院水池结构的上面全部暴露在大气中,受日
在水池结构整体抗变形设计中采用了“抗”与“放”
照和季节及年平均温度变化的影响较大。水池底板的相结合的概念。抗的方法是在水池底板中施加预应
下面则处在复杂的约束状态下。水池下面各部位的使力,约束水池底板的温度变形。放的方法是采用滑动
最高温度是39.5℃,极端最低温度是-18.3℃。由北
京市建筑设计研究院提供的国家大剧院南区水池温度
200(200
应力计算原始数据资料,水池最高温度37.1℃,最低温
度-17.1℃,温差达54.2℃。在设计中,考虑到结构的
重要性,采用了北京市建筑设计研究院提供的年温度
变化数据
3.混凝土浇注施工的季节对温度应力的影响
因面积较大,水池施工采用分区域施工,水池的混
图2桩上可滑移支座节点示意
凝土浇注时间是在四季。无法通过选择浇注时间来控
支座,将水池底板与下面的基础和结构部分适当分开,制水池温度变形,只有通过控制后浇带的浇注时间,也
减小下面结构对水池变形的约東。
就是超长结构的闭合时间来决定预应力张拉时间。
在大剧院水池结构设计中采用了概念设计和有限
4.混凝土的弹性模量取值
元应力分析相结合的方法对此部分结构进行分析计
在计算短期温度应力时,混凝土的弹性模量可不
算。概念设计是指在设计中对于水池结构的温度应力加调整或轻微调整,但计算年温度应力时,则必须进行
的宏观分析,参照了文[1]3]1和一些有关温度应力和较大的调整,否则计算的温度应力值与实际情况有较
水池设计方面的工程技术资料,同时也根据一些采用大的出入。这是因为在计算年温度应力时温差变化十
预应力的方法控制超长结构温度应力工程的实践经分缓慢,混凝土结构中的应力、应变变化也十分缓慢,
验,进行对照分析。采用 ANSYS有限元程序可对结构混凝土中的徽裂缝使各种应变能充分发生,在年温度
的各种约束状态进行模拟计算,通过量化分析来印证变化下,会产生更大的变形。计算混凝土年温差应力
宏观分析,找出薄弱环节。
时弹性模量的取值为抗压弹性模量的0.5倍,即1.625
采用部分预应力的概念。施加预应力的目的是通
10-N/mm2
过预压应力降低混凝土产生裂缝时的拉应力,而不是3.2温度应力的有限元计算方法
消除混凝土板中的拉应力,水池局部位置的混凝土仍
根据设计图纸,从 AUTOCAD直接转换到 ANSYS进
可能产生细微裂缝。
行计算,仅对局部进行了简化,这样可减少对整个结构
3水池结构的温度应力计算方法
受力的影响。其边界条件为水池下剪力墙及桩高7m,
3.1温度应力计算参数
在剪力墙及桩底部固支。对装有可滑移支座的剪力墙
1.影响水池结构温度应力大小的因素
和桩顶建模时,利用这些部位节点的竖向位移变形协
温度应力是由于结构所处周围环境温度变化而自调,而释放其水平位移。分析中采用了板壳元模型(二
身的变形受到约束产生的。年平均气温变化对水池结维)和实体元模型(三维)。板壳元模型是分析模拟在