国家大剧院屋面系统承载性能试验研究

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1、国家大剧院屋面系统承载性能试验研究程明 石永久 王元清罗忆 徐慷（1清华大学建筑玻璃与金属结构研究所 北京100084） （晶艺玻璃工程有限公司 珠海519015） 摘要：国家大剧院的屋面系统包括结构层、防水层和装饰层。防水屋面板采用Kalzip铝合金板，装饰层通过连接件固定于屋面板的板肋上。外部荷载主要由屋面板承担，进而传递到檩条上。本文通过试验研究了屋面系统在各种主要荷载作用下的承载能力，试验的结果为工程设计提供了依据。关键词：国家大剧院；屋面系统；荷载；位移1.工程概况   国家大剧院的屋面系统是采用了Kalzip板作为防水层的新型屋面系统（图1）。图1 国家大剧院    

2、国家大剧院屋面系统可分为结构层，防水层和装饰层（图2）。结构层由横向和纵向方通檩条组成，固定于主钢结构上；防水层由Kalzip铝合金板组成，通过锁边固定于T码上，T码固定于檩条上；装饰层通过连接件固定于Kalzip板的板肋上。图2 屋面系统2. 试验目的   为配合工程的设计与施工，验证这种新型屋面系统的承载性能和可靠性，选取了屋面板的代表性单元进行等比例模型加载试验。在试验中观测屋面系统在常见荷载下的荷载-位移关系，为工程设计提供依据。 3. 试验设备及测试内容   该试验分为6组进行，编号为A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、B-1，分别测量不同荷载下国家大剧院屋面系统的

3、承载力性能（表1）。表1 测试内容试验编号荷载类型连接件位置连接件类型设计荷载（kN）A-1风吸力——大1.0A-2风吸力——小1.0A-3板跨中大2.0清洗车重力产生的水平力A-4清洗车重力产生的水平力T码上大2.0A-5上人荷载——小2.0B-1水平力作用下屋面板固定点的螺栓孔滑移————3.0   A-1~A-4及B-1采用手动轱辘加载，A-5用油压千斤顶加载，用测力计和位移计分别测量荷载和位移，计算机采集数据。图3和图4分别显示了A-1和A-5试验的加载示意图，其他四个试验设备与A-1相同，只是加载方向和测点布置不同。图5、图6、图7显示了A-1、A-2、A-3、A-4四

4、组试验的荷载布置和测点布置。图3 A-1加载示意图图4 A-5加载示意图图图5 A-1～A-4试验荷载布置图（俯视图）   注：A-1与A-2试验只对一个连接件加载；A-3与A-4试验通过在连接件上固定夹具（图6）与钢管，同时对两个连接件加载，以便布置更多的测点。图6 A-1～A-4试验荷载布置图（侧视图）   注：左面连接件虚线表示A-1，实线表示A-2，为了表达方便将两个连接件画在一起。该图中G（1kN）表示施加在一个连接件上的荷载，而图5中2G（2kN）表示施加在两个连接件的荷载。图7 A-1～A-4试验测点布置图   注：连接件1对应图5中A-3与A-4试验中偏上的连接件

5、。连接件2对应图5中A-3与A-4试验中偏下的连接件以及A-1与A-2试验的连接件。A-1～A-4试验分别在四块板上独立进行。A-3和A-4试验用到全部4个测点，A-1和A-2试验只用到图7中右图的测点1。图8 A-5试验荷载布置图（侧视图）    图8为A-5试验的加载示意图，其中的测点只用图7中右图的测点1。图9 B-1试验荷载布置图（侧视图） 图10 B-1试验测点布置图    图9、图10显示了B-1试验的荷载布置和测点布置。位移计5和6用来测量螺栓孔的位移，位移计7用来测量底座的位移。 4. 试验结果及分析   6组试验选取了屋面板的代表性单元进行测试。试验结果见表2。

6、   由于手动轱辘和油压千斤顶不能很好的控制荷载大小，所以在每个加载循环中荷载的步距都不统一；但是各个加载循环的荷载-位移曲线还是基本一致的。                                                                 表2 测试结果试验编号设计荷载（kN）试验最大重复荷载（kN）设计荷载下的测试结果A-11.01.5线弹性；最大位移（板面垂直位移）2.0mmA-21.01.5线弹性；最大位移（板面垂直位移）3.5mmA-32.02.5线弹性；最大位移（夹具顶点水平位移）2.5mmA-42.02.3线弹性；最大位移（夹具顶点水平

7、位移）2.8mmA-52.02.0线弹性；最大位移（板面垂直位移）9.0mmB-13.08.0线弹性；最大位移（螺栓孔滑移）0.8mm 4.1 A-1、A-2试验结果分析   A-1和A-2测量屋面系统在风吸力下的荷载-位移关系。A-2的第一个加载阶段与后面的加载循环差异很大，这是因为第1次加载时连接件会产生滑移，这种滑移通过一次加载就可以消除。在后面几组试验中，可能会出现类似的情况，原因是一样，以后就不再重复了。以后对各组试验的数据，只讨论第1次加载循环以外的数据据。