1 工程概况 

广东科学中心（图1）工程概况详见文^[1]。该工程前部（A、B区）为预应力钢筋混凝土框架——剪力墙结构，其上部屋盖（H区）为大跨复杂新型空间网格结构。
本工程正立面入口处为一半球形玻璃幕墙，宽约38m，高约35m，采用矩形钢管单层钢球壳，半球壳两侧与弧形格构柱相连，顶部与弧形立体钢桁架相连。两侧的弧形格构柱与主体结构相连，而顶部的弧形钢桁架与其上部的钢网壳脱开。

 2 下部主体结构布置

大屋盖下部A、B区主要是主入口门厅和中庭，主体结构采用现浇预应力钢筋混凝土框架—剪力墙结构，其结构平面布置图见图2~3。 

3 H区屋盖结构选型与布置 

广东科学中心H区屋盖为复杂空间网格结构，两个方向长度分别为208m和184m（没有分缝），水平投影面积为19017㎡，展开面积为22256㎡。网壳由建筑前部（A区及部分B区）上部的H1区和中庭采光屋盖（B区及部分A区）上部的H2区两部分组成，连为一个整体（图4）。
H1区屋盖曲面为不规则平移曲面，其母线和导线均为变曲率不规则的样条曲线，曲面高差达41m（见图5）。采用双层四角锥钢网壳（局部采用三角锥网格过渡），节点为空心焊接球节点。网壳支撑形式为下弦多点支撑（两侧翼的角部采用上弦支撑）。由于网壳支撑柱为垂直于圆弧轴网方向放射性不均匀分布，上下弦网格为了对上支座节点必然导致网格上下弦杆走向极不规则，再加上网壳平面和曲面都比较复杂，建立均匀的网格模型很困难；由于网壳的厚度基本均匀，除悬挑端部为2.5m及门庭入口处局部加强部位为5.0m外，其余均为4.0m，且绝大部分支座为下弦支撑，于是确定了首先建立均匀的下弦网格，然后由上下弦节点之间的关系（上弦节点为由四个下弦节点以及网壳厚度h确定的四角锥的顶点，并且尽量保证上弦节点在下弦面上的垂直投影与下弦四节点的形心重合）确定上弦网格，从而建立整个网壳的模型。下弦网格的划分基于以下几点原则：
1） 网格节点要对上支撑柱位；
2） 根据网壳厚度的变化调整网格尺寸，以取得最大的杆件夹角；
3） 尽量采用规则均匀的四边形网格，少量局部用三角形过渡，这样可保证杆件夹角最大以及网壳刚度均匀；
4） 网格边线与建筑外轮廓线平行，且平移距离相同；
5） 支座顶部网格划分为三角形网格，以确保模型的几何不可变性。
H2区中庭屋盖为沿X轴对称的直纹曲面，曲率变化较大，中部与水平面夹角约为18°，逐渐过渡到两端与水平面垂直，最大横向跨度为70.3m（见图5）。为满足建筑采光功能的要求，采用双向斜放斜交桁架构成双层网壳，上下弦曲面内设置斜撑以加强网壳的稳定性。其厚度为2.5m～3.5m（变厚度）。H2区网壳上部布置有六道弧形遮阳板桁架，遮阳板桁架支撑在H2区网壳上弦节点上；为便于屋面系统的安装和防水处理，H2区网壳采用竖腹杆贯通的圆钢筒节点。
H1区网壳为H2区网壳提供了弹性水平支撑，同时H2区网壳为H1区网壳提供了弹性竖向支撑。整个H区网壳是由两种不同型式的网壳组成的统一的整体结构，既满足了结构承载力、刚度和稳定性的要求，也满足建筑功能和造型的需要。
H区复杂空间网格结构的整体空间轴侧图、上弦布置图、平面投影图以及侧视图见图7~图10。
网壳杆件及焊接空心球均采用Q235B（部分无缝钢管改为20号钢），网壳支座采用Q345B。

4 遮阳板的布置与构造 

中庭网壳上部布置有六道巨型弧形遮阳板，横截面为梭形，遮阳板最大厚度为900mm，遮阳板宽度由中间的9m逐步过渡到端部3m左右；这是本工程网壳结构的一大特点。
由于遮阳板过于巨大且无法与网壳之间实现浮动连接，因此，遮阳板结构与钢网壳构成整体共同受力，遮阳板实际上成为网壳的加强肋，不能作为普通装饰构件对待。
遮阳板在整体网壳中的空间布置及位置见图11、图12。

六层遮阳板的构造形式相同，以第六层遮阳板为例，其整体结构以及横截面的梭形桁架见图13及图14。图15为遮阳板的施工图片。
遮阳板空间桁架由梭形主桁架、梭形次桁架和弧线形内外侧向桁架交叉连接组成，并通过连接于梭形主桁架中部的V形撑和连接梭形主桁架后座的变截面箱型撑杆支撑于中庭网壳的竖腹杆顶端上。梭形主桁架弦杆、腹杆均为方钢管，梭形次桁架和侧向桁架的弦杆、腹杆均为圆钢管。其桁架相交节点均为相贯焊节点。

5 圆钢筒节点的设计与分析^[3] 

H2区网壳为采光屋盖，且上部遮阳板桁架支撑在网壳上弦节点上。采用焊接空心球节点会导致屋面系统安装和防水处理困难，且难以平衡遮阳板主桁架尾部推力产生的弯矩。因此本工程采用竖腹杆（Ф299～Ф351）贯通的圆钢筒节点，圆钢筒节点壁厚为20~50mm，网壳上下弦杆件和斜腹杆与竖腹杆端部的圆钢筒节点通过相贯焊缝连接。节点处竖腹杆内部采用加劲隔板加强，加劲隔板的厚度按文[3]确定。图16是一典型上弦圆钢筒节点，图17、18为下弦节点。

本工程对这类圆钢筒节点进行了多个静力足尺试验和弹塑性有限元分析。以H2区上弦2492号节点为例，如图19，通过试验数据与有限元模型的计算结果分析对比得出以下结论：

（1）节点的极限荷载试验值与计算值之比为1.085，应力对比也吻合较好。
（2）试验结果表明节点的破坏模式为支管弹塑性屈曲破坏。
（3）在1.3倍设计荷载作用下，节点在线弹性范围以内；节点的极限承载力达到4.79倍的荷载设计值。
（4）节点足尺试验和有限元分析结果表明，在1.2倍设计荷载作用下是安全的。 

6 支座节点设计 

屋盖网壳支座平面布置见图21。
H1区网壳支撑形式为下弦多点钢筋混凝土柱支撑（两侧翼的角部采用上弦钢筋混凝土柱牛腿支撑）。由于网壳周边均为大跨度悬挑结构，在各风向风荷载作用下，支座上拔力较大，设计值达3500kN，下部钢筋混凝土柱抗裂难以满足要求。因此在支座上拔力较大处钢筋混凝土柱内设置竖向预应力筋并施加预应力以平衡风荷载产生的上拔力。图22为网壳抗拔支座照片，图23为网壳抗拔支座设计示意图。

H2区网壳支撑在标高28.000m屋面环梁上。大部分为上弦周边支撑，其余为上弦和下弦周边支撑。由于网壳的表面曲率变化较大，且拱效应明显，支座的水平刚度对网壳的承载能力有很大影响，支座的双向水平推力均较大。为满足支座水平承载力的要求，用Φ245x12斜撑平衡支座垂直于网壳边沿弧线方向的水平力，而平行于网壳边沿弧线的水平力由支座间上翻混凝土梁平衡，支座形式详见图24、25。

7 风洞试验与风振分析^[3,4] 

本工程体型非常复杂，对于这种特殊体型的结构，现行的《建筑结构荷载规范》GB50009-2001尚无可供参考的体形系数，对于其风振计算更无可直接引用的方法，甚至没有风振系数（动力放大系数）的参考计算方法。由于规范所提供的体型系数没有具体考虑建筑所处的周围环境、大气边界层、气流三维流动的影响，因而根据规范计算出的结构风荷载在某些局部不够安全。为做好这种结构的抗风设计，风洞模拟试验是十分必要的。
风洞试验分析表明，在大多数风向角下，屋面上表面的大部分区域分布为负压，迎风的边缘附近气流分离强烈负压较大，背风区域的负压则逐渐减小且分布均匀。中庭上空采光屋盖和遮阳片直接迎风时分布有0.01~0.76之间的正压。
屋面和遮阳片悬挑部分的下表面，其风压分布与墙体外表面有些类似，处于迎风区域则分布有0.02~0.70之间的正压；处于侧、背风区域则为-0.05~-0.39之间的均匀负压；靠近来流的拐角和边缘部分也有-0.35~-0.94的相对较大负压产生。风向角为330°~345°~0°及180°，靠近来流的拐角和边缘部分的负压较大，多在-0.42~-0.94之间，其它风向角下则相对略小。
遮阳片的大部分正综合风压峰值和负综合风压峰值都较大，风荷载“下顶上掀”的作用明显，应特别注意。
进一步对结构整体进行风振分析表明，H区主体屋盖的风振系数大多在2.0以下，在端部两块悬挑结构风振系数较大，最大可达3.0以上；遮阳板结构上下表面的风振系数较为接近，且中部风振系数较小，两侧略大。 

8 网壳计算分析结果 

本工程采用SAP2000软件对H区的网壳以及下部的A、B区主体结构进行了整体建模，计算分析模型见图27。
对钢屋盖单独采用浙江大学MST软件进行了验算。

本网格结构杆件与球节点之间一般均采用铰接假定，而支撑遮阳板桁架的竖腹板视为连续杆件。考虑到网壳支座刚度较大，与支座相连的杆件按刚接与铰接均应验算通过。由于计算模型为整体模型，网壳下部结构均带入模型中进行整体计算，网壳的支座刚度为真实刚度，但是考虑到混凝土柱子的开裂会减小柱子的侧向刚度，从而导致网壳支座刚度的不真实，因而对支撑柱侧向刚度折减后的情况进行了补充计算，网壳所有杆件均在两种不同支座刚度计算模型中验算通过。
在上述计算模型的基础上，对网壳在各种荷载作用下的受力状况进行了分析。风荷载考虑12个风向角（每30度一个风向），并且由于风荷载比较大，屋面恒载在某些风荷载起控制作用的组合中对结构有利，因此增加了对这些组合中恒载的组合系数打折的荷载组合工况以考虑屋面建筑做法的不确定性，另外还考虑温度作用工况及地震作用工况，设计荷载组合多达2556种。由于网壳前部悬挑比较大（最大达20m），风荷载参与的荷载组合对杆件内力和网壳挠度都起到控制作用，在网壳杆件的优化过程中，对于悬挑部分网壳杆件不以满应力进行设计，而是以挠度为优化目标。
因中庭为透明屋盖，网壳最大温差取35℃。网壳的竖向挠度计算值：跨中最大132mm，挠跨比1/498<1/400；悬挑端最大172mm，挠跨比1/328<1/200。
本工程对屋盖网壳进行了考虑初始缺陷（采用屋盖结构第一振型模态作为初始缺陷分布模态，其最大值按网壳跨度的1/300取值）的全过程几何非线性分析（即荷载—位移全过程分析），稳定安全系数K均在10.0以上。
本网壳用钢量（不含檩条）：47.4kg/m2（展开面积），55.5kg/m2（水平投影面积）。 

9 结 语 

本工程造型极其复杂且带有巨型遮阳板，给网格结构布置、抗风设计及节点设计带来很大挑战。风洞试验及风振分析对复杂网壳抗风设计是非常重要的依据。应结合网壳的受力特点设计不同类型的支座节点，如抗推支座、抗拔支座等。新型圆钢管节点的试验分析研究和应用以及预应力抗拔支座的应用对同类工程具有较大的参考价值。

参 考 文 献

[1] 李霆,李宏胜,尹优,孙兆民,张季超.广东科学中心大跨巨型钢框架结构设计[J]. 建筑结构,2010.2.
[2] 约翰.奇尔顿. 空间网格结构[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004.
[3] 李显荣,魏才昂,丁峙崐,李和华.钢结构连接节点设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[4] 易和,王良福,张季超,吴太成,邱志恒.广东科学中心的风洞试验研究[J].建筑技术,第37卷增刊, 2006.
[5] 张季超,等.工程灾害防护技术在广东科学中心建设中的研究与应用.工程力学,第23卷增刊Ⅱ:200-209,2006.