某學院體育館鋼結構工程設計

曾福英

（河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064）

某學院體育館鋼結構工程設計

曾福英

（河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064）

本文結合某學院體育館實際工程，對該工程的鋼屋蓋方案進行比選，根據建筑平面布置及立面造型要求，最終采取了平面交錯鋼管桁架的結構形式。

體育館；主體結構；鋼屋蓋；鋼管桁架

1 工程概況

該學院體育館位于河南省許昌市，由主館以及訓練館組成。其中主館南北長約102.5m，東西寬約85m，屋面最高點離地約28m；訓練館東西長約53.5m，南北寬約42m，屋面最高點離地約20m。工程建成后將成為許昌市一個標志性建筑，為全市人民提供一個很好的體育文化活動場所，也為許昌市下一步積極承擔全國單項賽事提供很好的硬件基礎。

2 結構選型

體育館建筑屬空曠大空間建筑，其屋頂鋼結構部分主要需控制結構的側向位移和豎向撓度滿足規范要求。本工程經計算發現是由豎向撓度起控制作用。為控制其撓度，分別比較了空間網殼、平面交錯桁架和空間三角桁架三種結構形式，并分別建模進行比較。網殼方案，經建模計算，要滿足撓度要求，則網殼的高度要達到5.8m，且網殼結構桿件較多，影響結構內部的美觀，經甲方確認后，否定了此方案。重點比較平面交錯桁架和空間三角桁架兩種方案，分別按兩種方案進行了計算比較，在滿足撓度要求的前提下，平面交錯桁架需要的高度是5m，而改成空間三角桁架方案，高度則是4.85 m，雖然相對來說高度稍有減小，但空間桁架的用鋼量大大增加，而且由于屋蓋室內外厚度差別較大，不好處理。綜合比較，最終決定本工程的鋼結構屋蓋方案為平面交錯桁架，主館的東西方向跨度71.5m，兩邊各懸挑6.64m，作為主桁架；南北方向跨度較大，作為次桁架。主館S軸北側4根斜柱和H軸南側2根斜柱考慮到該部位鋼屋蓋懸挑較大，作為承重柱考慮，周邊其他斜柱作為裝飾柱考慮。

3 結構計算分析

1）荷載取值

設計主要考慮如下荷載：

屋面靜荷載0.4 kN /m2（屋蓋采用壓型鋼板，考慮屋面保溫及防水做法），懸掛荷載根據相關專業提供的設備重量等，取0.4kN/m2，結構構件自重由程序自動計算確定。

屋面活荷載0.5 kN/m2。

雪荷載基本雪壓為0.45 kN/m2。

風荷載基本風壓為0.45kN/m2，因本工程屬不規則外形，且未做風洞試驗，所以風振系數及體型系數參照國內已建成的外形相似的結構進行取值，風振系數為2.0。

建筑抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度7度，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g。

結構設計控制指標屋面跨中撓度≤L/400（L為跨度），桿件最大組合設計應力≤0.9f（f為鋼材設計強度），桿件長細比≤150。

2）結構分析

本工程設計計算中，采用Midas Gen和sap2000兩種軟件進行結構的靜力和動力特性分析。兩名設計人員用不同的兩個軟件進行計算分析，可以減少軟件誤差、設計人員人為等因素造成的差別，保證計算結果的正確性、可靠性。

計算模型采用兩種：一種是僅計算上部鋼結構，模型中不包含下部混凝土結構主體部分，只是將下部結構對屋蓋的約束作用以支座的方式加上；另一種是將上部剛屋蓋部分和下部混凝土主體部分以整體的方式建模計算。

綜合比較兩種軟件和兩種計算模型的計算結果，結合對整個結構的概念設計，實現對整個鋼結構部分桿件截面的選擇，本工程所用桿件均為焊接鋼管，截面最大的為377x10。并根據計算結果進行節點設計，桁架桿件之間節點接頭均采用全熔透對接焊縫，對局部受力特別復雜、連接桿件特別多的部位，采用焊接球節點。

3）重點難點部位

根據建筑平面布置的需要，在平面上四個角柱進行了抽柱，這就導致局部桁架懸挑長度達到將近20m，所以在懸挑部位的節點構造、桿件受力等都會變得很復雜。另外屋蓋周邊室內外高差變化比較大，采取一些特殊措施進行處理，確保建筑造型的實現。對于這些重點復雜部位進行了專門的有限元分析，將節點附近的桿件做得較大，節點采用焊接球節點，以確保安全。

4 小結

1）本工程鋼結構造型美觀，既保證了結構安全性，又滿足了建筑的使用要求，與建筑效果完美結合。

2）通過不同人員運用不同的軟件進行計算分析并加以比較，分析結果十分吻合，說明計算軟件成熟，也說明計算分析假定的可靠性。

3）本工程空間關系復雜，節點應力較大，尤其是在懸挑部分的端部節點，多根桿件在此匯交，該部分節點采用特殊構造措施，以保證節點的安全性。

4）本工程于2010年5月份竣工，已投入使用，鋼屋蓋外觀新穎，效果良好，較好地達到了預期要求。

[1]GB 50017-2003.鋼結構設計規范

[2]JGJ 7-91.網架結構設計與施工規程

[3]JGJ 61-2003，J258-2003.網殼結構技術規程

[4]GB5009-2001.建筑結構荷載規范.2006

[5]GB50011-2001.建筑抗震設計規范

[6]杜文風，張慧.空間結構.中國電子出版社，2008.

[7]馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網格結構理論與實踐.人民交通出版社，2006.

[8]約翰·奇爾頓 （作者），高立人（譯者）.空間網格結構.中國建筑工業出版社，2004.

2017-08-23