某體育館的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

[摘要] 根據(jù)第九屆北京高校建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)賽(大跨組賽題)設(shè)計題目——北京建筑工程學(xué)院體育館設(shè)計展開研究。結(jié)合建筑特點(diǎn)選取了結(jié)構(gòu)形式——鋼桁架，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)布置，采用sap2000對體育館進(jìn)行建模分析，同時采用3d3s進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了合理的結(jié)構(gòu)方案，研究成果可供中小型體育館項目參考。

[關(guān)鍵詞] 體育館 結(jié)構(gòu)分析 優(yōu)化

1 引言

根據(jù)第九屆北京高校建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)賽(大跨組賽題)設(shè)計題目——北京建筑工程學(xué)院體育館設(shè)計展開研究。

體育館工程總用地面積:11643.8平方米;建筑面積:10280平方米(地上面積約8000平方米);體育館長100m，寬70～85m，建筑控高:30米。建筑方案充分體現(xiàn)北京建筑工程學(xué)院輝煌的校史，蓬勃向上的發(fā)展前景，務(wù)實(shí)創(chuàng)新的學(xué)風(fēng)，而且表達(dá)出“建工人”對于學(xué)校美好未來的寄語。該建筑貫徹了“綠色建筑”的設(shè)計原則，并且滿足了全校師生舉行大型室內(nèi)集會、展示的建筑功能。本文重點(diǎn)對該建筑開展結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化，得到合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，為類似工程提供借鑒。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1結(jié)構(gòu)布置。綜合考慮建筑方案的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)受力荷載，采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)。桁架跨度65~80m，間距6m。桁架截面寬度2.5m，高度3.5m，取節(jié)間長度3.5m，腹桿與弦桿的夾角30°～60°。為提高結(jié)構(gòu)的整體性，增大剛度，在縱向設(shè)置四道聯(lián)系桁架，兩道位于柱頂，兩道位于跨中;在兩端及中部設(shè)置連接相鄰兩榀桁架上下弦節(jié)點(diǎn)的“X”形支撐。

2.2模型及荷載

2.2.1模型。將結(jié)構(gòu)中的桁架拱、格構(gòu)柱、縱向桁架、“X”形支撐按桿單元進(jìn)行建模。

2.2.2荷載及其組合。(1)永久荷載。承重結(jié)構(gòu)的自重(包括桿件及節(jié)點(diǎn)的自重)、屋面板及檁條的自重、馬道、吊掛燈具及其他設(shè)備的自重。按從屬面積折算荷載。(2)可變荷載。活荷載:該屋面為不上人屋面，荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5kN/m2，施加給上弦桿的活載標(biāo)準(zhǔn)值:0.5×4.5=2.25KN/m。雪荷載:其方向沿豎直方向，設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。風(fēng)荷載1(橫向加載):該結(jié)構(gòu)重要性等級應(yīng)為一級，設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。風(fēng)荷載2(縱向加載):風(fēng)荷載從面外加載到屋面上，垂直于每榀桁架的平面。由于本結(jié)構(gòu)的縱向輪廓線是不規(guī)則的折線，從《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》上不能確定其μ，在實(shí)際工程中應(yīng)通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來確定其最終的可靠的μ，本文研究中通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)縱向剛度，不考慮縱向加載的影響。(3)地震作用。按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2001(2008年版)規(guī)定，本建筑為甲類建筑，建筑高度小于40m。北京市大興區(qū)場地類別為Ⅱ類，地震分組為第一組，設(shè)計基本加速度值0.2g，抗震設(shè)防烈度為8度。由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》知:對于抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，考慮它的豎向地震作用。(4)溫度作用。經(jīng)查得:北京市的平均氣溫為11.8℃，最低氣溫為-12℃，最高氣溫為39℃。所以考慮正溫差:39℃，負(fù)溫差:-12℃。溫度應(yīng)力的作用，我們考慮溫度的變化會在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生內(nèi)力，我們通過適當(dāng)加大截面，來抵抗溫度所產(chǎn)生的應(yīng)力，同時，該結(jié)構(gòu)是門式桁架結(jié)構(gòu)，可以通過其變形來釋放溫度應(yīng)力。(5)荷載組合。計算分析過程考慮了承載力極限狀態(tài)下的有震、無震以及正常使用極限狀態(tài)下共13種荷載組合:

對于承載能力極限狀態(tài)(不考慮地震作用):1.1×(1.2×恒載+1.4×活荷載);1.1×(1.35×恒載+1.4×0.6×活荷載);1.1×(1.2×恒載+1.4×活荷載+1.4×0.6×正溫);1.1×(1.2×恒載+1.4×活荷載+1.4×0.6×負(fù)溫);1.1×(1.0×恒載+1.4×風(fēng)荷載)(考慮風(fēng)吸力的作用);1.1×(1.2×恒載+1.4×風(fēng)荷載+1.4×0.6×正溫);1.1×(1.2×恒載+1.4×活荷載+1.4×0.6×溫(+30C));1.1×(1.2×恒載+1.4×0.6×風(fēng)荷載+1.4×溫(+30C));1.1×(1.2×恒載+1.4×活荷載+1.4×0.6×溫(+30C)+1.3×0.6×水平地震作用);1.1×(1.0×恒載+1.4×風(fēng)荷載+1.4×0.6×活荷載+1.4×0.6×正溫)，對于承載能力極限狀態(tài)(考慮地震作用):1.2×恒載+1.3×水平地震，對于正常使用極限狀態(tài):1.0×恒載+0.6×風(fēng)荷載+0.6×活荷載+0.6×正溫，1.0×恒載+0.6×風(fēng)荷載+0.6×活荷載+0.6×負(fù)溫

2.3整體分析及設(shè)計。采用sap2000對結(jié)構(gòu)整體分析，得到桿件最不利內(nèi)力及結(jié)構(gòu)最大變形。經(jīng)過分析，該結(jié)構(gòu)中間跨的中部為內(nèi)力最大部分，上弦桿最大軸向壓力為930.98KN，下弦桿最大軸向拉力為825.1KN，腹桿最大軸向壓力為349.63KN。X方向上的最大節(jié)點(diǎn)位移為0.4cm，Y方向?yàn)?.67cm，Z方向?yàn)?.85cm。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用3d3s結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行桿件、節(jié)點(diǎn)的對比分析，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性顯著。

3.1結(jié)構(gòu)布置。在滿足使用功能的前提下，采用合理的結(jié)構(gòu)形式，可節(jié)約鋼材。本次設(shè)計對承重結(jié)構(gòu)的間距不同，對附屬部分(如屋檁、墻梁等)用鋼量的比較分析，降低結(jié)構(gòu)總造價。

3.2桿件選擇。經(jīng)比較分析，結(jié)構(gòu)中根據(jù)受力特點(diǎn)及需要，桿件采用的規(guī)格共6種，同時兼顧備料方便，外觀區(qū)分度好，加工制作時不容易混淆。

3.3節(jié)點(diǎn)設(shè)計。通過比較焊接空心球節(jié)點(diǎn)與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)總用鋼量相差約10%～15%，因此設(shè)計中采用鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，節(jié)約鋼材，降低整體的造價。統(tǒng)籌考慮對比分析，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)每平方米用鋼量為40.2Kg，對中小型類似工程具有較強(qiáng)的競爭力，推廣應(yīng)用價值較高。

4 結(jié)語

通過對北京建筑工程學(xué)院體育館的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化:結(jié)構(gòu)方案階段應(yīng)重視概念設(shè)計，如結(jié)構(gòu)形式的選取，結(jié)構(gòu)布置，經(jīng)濟(jì)跨度，截面尺寸等。對于鋼管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的布置、桿件類型的歸并及節(jié)點(diǎn)形式等。

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