關于大型體育館網殼結構設計實例探討

徐春嬌

【摘 要】本文結合工程實例，主要針對某大學體育館網殼結構設計要點，主要從結構受力特點、桿件及節點設計等方面進行了論述，旨在為公共建筑結構設計工作提供參考依據。

【關鍵詞】體育館；結構設計；大跨度鋼結構；網殼結構

引言

在建筑結構形式中，網殼結構具有強度高、重量輕、組裝簡單、薄殼結構受力合理等優點，是大跨度空間結構中一種舉足輕重的結構形式。這種結構廣泛適用于復雜多變的建筑當中，不僅能夠滿足人們對建筑物的功能要求、感觀要求，而且具有很好的經濟效益，因此在大跨度公共建筑中得到了廣泛的應用。本文結合工程實例，主要探討某大型體育館網殼結構設計要點，旨在為了大家提供借鑒。

1 項目概況

某大型體育館，總建筑面積15300m2，建筑高度30m，主要由排球館、籃球館、乒乓球館及配套用房組成?；A采用鋼筋混凝土框架結構。本工程設計的使用年限為50年，建筑物重要類別為丙類，建筑結構的安全等級、耐火等級及屋面防水等級都為二級，抗震設防烈度為7度。

2 結構選型與布置

2.1 結構選型

合理的大跨度空間結構形式在滿足建筑功能要 求的同時，還應具有安全耐久、結構輕巧、受力合理、經濟適用、造型美觀等特點。根據該體育館的空間形體及平面形狀，初步可選擇的結構方案有4種：1）空間折板網架；2）輻射狀空間桁架；3）平立面轉折處采用空間桁架，頂部采用單層網殼結構，整體形成“空間桁架+單層網殼”的結構體系；4）平立面轉折處采用空間桁架，頂部采用雙層網殼結構， 整體形成空間管桁架-雙層網殼復合結構體系。經分析可知，方案1顯得厚重，且影響立面采光帶效果；方案2桁架匯聚中心時需進行桁架歸并處理，間斷布置桁架從美觀上看對頂部采光頂的視覺效果也有一定影響，且支座反力較大；方案3視覺效果較好，但由于頂部隆起處矢跨比很小，只有1/13，單層網殼的穩定問題極其突出。從美觀上來講，方案3優于方案4，方案4優于方案1、方案2；從用鋼量要小、剛度要大、支座反力要小、穩定性要好的角度，方案1優于方案4，方案4優于方案2、方案3。綜合分析，最終選擇視覺效果及受力性能較好的方案4。

2.2 結構布置

體育館主體鋼結構是由24榀徑向布置主桁架、5組環向封閉桁架與中部雙層網殼組成的空間管桁架-雙層網殼復合結構。為了增加屋蓋結構在其平面內的整體剛度，在桁架上弦平面布設了交叉張緊圓鋼支撐體系，使桁架與中間網殼及支撐系統共同組成了鋼結構屋蓋的超靜定結構體系。主桁架下端鉸接于混凝土看臺柱上，支承間跨度79.1m，結構外輪廓尺寸93.3m，雙層網殼跨度44.3m。

3 荷載及工況組合

設計荷載取值。靜荷載標準值：屋面板及玻璃采 光頂自重0.7kN/m2，下弦吊掛荷載0.3kN/m2，且單點吊重不大于1.0kN；馬道荷載1.2kN/m；活荷載：屋面活荷載標準值為0.5kN/m2，雪荷載標準值為0.0kN/m2，二者取最大值；溫度荷載：±20℃；風荷載：基本風壓取 0.4kN/m2，風荷載體型系數、風壓高度變化系數、風振系數按GB50009-2012《建筑結構荷載規范》及經驗取值；結構的風振系數取1.5，風荷載體型系數參照GB50009-2012做以下規定：體育館頂面風荷載體型系數為-1.0，體育館迎風墻面風荷載體型系數為+0.8，背風墻面風荷載體型系數為-0.5。本工程抗震設防烈度為6度。

基于以往工程經驗，在荷載組合中考慮了靜荷載、活荷載及不利布置、溫度作用的影響以及四個風向下的風荷載，鋼結構自重由程序自動計算。共考慮了70種荷載組合，這里僅列出主要的荷載組合工況：1）1.35恒+0.98活；2）1.20恒+1.4活；3）0.7恒+1.4風；4）1.2恒+1.4活+0.84風；5）1.2恒+1.4活+0.84風+溫；6）0.7恒+1.4風+溫。由于實際屋面板材料的重量存在較大的變異性，故在考慮風吸時，對靜荷載和活荷載的分項系數予以適當折減。

4 結構設計

4.1 結構建模計算

鋼結構的計算中采用了3D3S（10.0版）、SAP2000（V14版）、MIDAS/GEN V.80等多個計算軟件建立了有限元模型，并對計算結果作了對比分析，鋼結構自重由程序自動計算。根據結構布置的特點，采用了是否考慮與下部結構共同受力的2種不同計算模型。第一種為鋼結構不與下部結構同時考慮的純鋼結構計算模型，底部為固定鉸支座；第二種為鋼結構與下部混凝土結構同時考慮的混合計算模型，鋼結構與混凝土鉸接嵌固。桿件單元選取時做如下假定：中間網殼桿件均為桿單元；對管桁架的桿件均為梁單元以及上、下弦桿為梁單元，腹桿為桿單元的計算模式分別進行了計算。采用SAP2000（V14版）進行鋼結構與下部混凝土結構的混合模型計算，混凝土強度等級為C30，混凝土梁柱均選用梁單元。

計算分析可以得出：1）不同的計算軟件所得的構件內力基本一致，結構變形形狀與變形量接近。2）構件選用梁單元還是桿單元對設計結果影響不大，主要原因是管桁架-雙層網殼復合結構只承受節點荷載的作用，各構件內力以軸力為主，彎矩較小。3）從荷載組合產生的內力結果來看，本工程主體鋼結構是一規則多邊形結構，活荷載不利布置組合工況不起控制作用。4）網殼中央部分上弦受壓，下弦受壓，該區域的受力體現了網殼的特征，網殼徑向桿件最大壓力為530kN。

4.2 結構振動特性

上部鋼結構模型第一階振型為整體X向平動，周期0.8032s，第四階振型為整轉周期0.3991s，扭轉周期與第一平動周期的比值為0.497，小于0.85，滿足JGJ7-2010要求；鋼結構與混凝土整體模型第一階振型為向平X動，周期0.9961s，第三階振型為整體扭轉，周期0.6955s，扭轉周期與第一平動周期的比值為0.698，小于0.85，滿足JGJ7-2010要求。

4.3 關鍵節點處理

上部網殼節點采用焊接球節點，空間管桁架采用管管相貫節點，弦桿截面貫通，腹桿焊于弦桿之上。桁架弦桿變徑處采用錐頭進行平緩過渡，盡量少設接頭，以達到建筑美觀要求。當桿件長度無法滿足要求時，拼接節點采用全熔透等強對接焊縫，對焊時加短襯管，并磨平焊縫余高，達到與被連接材料同樣的光潔度。空間管桁架弦桿轉折處采用焊接球節點進行處理，最大焊接球尺寸為 D550×30，采用有限元軟件ANSYS對該節點進行計算分析，根據節點分析結果可知，節點在設計荷載下大部分區域的等效應力不超過160MPa，表明此種節點具有較大的安全儲備。

5 結束語

總之，隨著建筑施工技術不斷進步，大跨度公共建筑鋼結構設計方案越來越多。因此，在進行鋼結構建筑的設計時，首先應根據建筑結構的使用年限，建筑結構的安全等級以及抗震設防類別確定其基本要求。本文通過對某體育館合理的選型分析設計，可將單一的網架、網殼、桁架等傳統的空間結構形式替代為復合網格結構體系或其他結構體系，實現結構形式的創新和突破，進而提高大跨公共建筑結構的整體美觀性、經濟性和安全性。

【參考文獻】

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