某體育館屋蓋結構設計

2016-07-27 03:17:22王智勤

四川建筑 2016年2期

王智勤

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

某體育館屋蓋結構設計

王智勤

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

【摘要】某體育館下部采用鋼筋混凝土框架結構，上部采用鋼桁架結構。通過采用合理的設計模型對屋蓋進行分析，經過計算比較，選擇安全、美觀、經濟的結構設計形式。同時介紹了屋蓋結構中關鍵節點的分析及設計工作。

【關鍵詞】體育館；屋蓋結構；結構分析；節點分析

1工程概況

某體育館建筑總面積約3×104m2。依據建筑屋面造型和使用的需要，屋蓋分為左、右兩個主要區域。本工程位于7度區，基本地震加速度為0.1g，基本風壓為0.35 kN/m2，基

本雪壓為0.35 kN/m2。工程屋面荷載取值：屋面附加恒載1.0 kN/m2，屋面活載0.5 kN/m2，馬道荷載1.2 kN/m2。考慮溫度荷載為升溫30℃，降溫30℃。鋼屋蓋平面及剖面見圖1。

圖1　鋼結構平面及剖面(單位:mm)

2結構體系

考慮建筑美學以及體育館的各種使用功能等因素，本工程下部采用鋼筋混凝土框架結構，上部采用鋼結構形式。上部屋蓋方面，通過對網架、桁架以及張弦桁架等結構體系的綜合比較，最終選擇桁架結構形式。桁架結構具有受力明確、布置靈活、經濟性好等特點。本工程在10軸處將屋蓋分為兩個部分，分別由五榀立體桁架組成，最大跨度為64.8 m(2軸～10軸)，利用場地中部的2軸、10軸、15軸混凝土柱列作為桁架的支座；在1軸～3軸配合建筑立面的要求選用搖擺柱，在右側端頭進行懸挑；在1/01軸處設置鋼桁架落地支座。經過計算比較，當主桁架間距考慮為16.2 m、矢高為3.5 m時，符合經濟性的要求和建筑美觀的需求。

因左側區域鋼桁架跨度較大，如支座均考慮為鉸支座的形式，那么主桁架因受溫度應力的影響而將在支座處產生較大的水平推力。特別是在10軸位置處，因本位置混凝土柱上部、中部分別設置了鉸支座，混凝土柱在不同高度處會受到左、右鋼桁架分別產生的水平推力，這對混凝土柱極為不利。同時，為抵抗推力而增大混凝土柱截面是不經濟的，且影響建筑的使用功能。為改善這種情況，設計時將10軸混凝土柱上部的支座形式改為滑動支座形式，以釋放鋼桁架產生的水平推力，有效地改善了混凝土柱的受力情況。

本工程采取將有條件的檁條支座設置在混凝土梁、柱上(如A軸～E軸區域以及N軸～S軸區域)，這種方式相對于專門另外設置鋼結構作為檁條支座的方法更為節約。同時，為減小檁條因受溫度應力的影響，而對主體鋼桁架及混凝土梁、柱造成不利影響，檁條兩側支座采用一端鉸接、一端滑動的方式，以釋放溫度應力。

3分析模型及內力計算

本工程屋蓋采用MIDAS/Gen進行計算分析，主桁架材質選用Q345B。典型的荷載組合為：(1)恒載+活載；(2)恒載+活載+風荷載；(3)恒載+活載+溫度荷載；(4)恒載+活載+風荷載+溫度荷載；(5)恒載+活載+地震荷載。撓度控制為1/250以內(懸挑部位控制在1/125以內)。

圖2、圖3為屋蓋結構前2階振型，圖4為屋蓋結構在1.2恒載+1.4活載工況下應力圖，圖5、圖6分別為屋蓋結構在恒載工況下和活載工況下位移曲線圖。分析結果數據顯示，最大豎向位移出現在左側桁架部分，最大撓度滿足相關規范的要求。

圖2　屋蓋結構第一階振型(T1=0.83 s)

圖3　屋蓋結構第二階振型(T1=0.734 s)

圖4　屋蓋結構應力圖(1.2恒載+1.4活載)

圖5　屋蓋結構位移曲線圖(恒載)

圖6　屋蓋結構位移曲線圖(活載)

4支座節點

在分析模型中鉸節點均為理想鉸接節點(即認為其可以各向自由轉動)，以釋放各個方向的彎矩。在實際情況中，為了與計算模型假設盡量一致，就需要采用萬向鉸支座的形式。但是由于萬向鉸支座成本較高，有時會采用“上下耳板加銷軸”支座形式，但是這種形式支座的實際受力情況與分析模型是不同的，可能出現平面外轉動能力不足的情況。為避免此現象的出現，本工程的部分節點采用“上下耳板加向心關節軸承”的支座形式(圖7)。這種形式的支座解決了平面外轉動能力不足的問題，但是此種形式的支座受力情況較為復雜，也難以用現有公式進行計算。為考察此影響，本工程采用了MIDAS/FEA有限元程序對此類節點進行計算分析，結果如圖8所示。通過分析，本種形式支座滿足設計的需求。