柳州某中學(xué)遷建項目禮堂及體育館網(wǎng)架對比及優(yōu)選設(shè)計

韋浩

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣東廣州 510010）

1 結(jié)構(gòu)特點

柳州市某中學(xué)遷建項目位于柳州市柳東新區(qū)官塘片區(qū)，規(guī)劃地塊總用地面積為232009.22m2，學(xué)生總數(shù)5000人，用地西側(cè)為創(chuàng)業(yè)路，北側(cè)為緯二路，南側(cè)為城市規(guī)劃路。包括教學(xué)樓、實驗樓、辦公樓、圖書館、禮堂、藝術(shù)樓、體育館、學(xué)生公寓、教師宿舍等，其中禮堂建筑面積為5066m2，樓層數(shù)為1層，高17.5m；體育館建筑面積為5012，樓層是為1層，局部2層，高15.5m。

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑安全等級為二級。工程抗震設(shè)防烈度為6°，基本地震加速讀為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，特征周期為0.35s，10年一遇基本風(fēng)壓為0.30kN/m2，50年一遇基本風(fēng)壓為0.50kN/m2，地面粗糙度為B類。本文主要討論禮堂及體育館，其效果圖如圖1～2。

圖1 禮堂效果圖

圖2 體育館效果圖

2 網(wǎng)架選型與布置

禮堂網(wǎng)架平面尺寸為59m×36.4m，長寬比為1.62，網(wǎng)格尺寸為3m×3m，體育館網(wǎng)架平面尺寸為64m×43.3m，長寬比為1.48，網(wǎng)格尺寸為3.7m×4m，均采用周邊支承的四角錐平板網(wǎng)架、熱軋無縫鋼管與電焊鋼管桿件及螺栓球節(jié)點；由于建筑條件原因，支座置于上弦節(jié)點處，在網(wǎng)架四周每兩個網(wǎng)格設(shè)置一個支座；屋面采用輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面體系，即采用壓型鋼板加檁條的體系；網(wǎng)架平面布置如圖3～4。

圖3 禮堂網(wǎng)架布置

圖4 體育館網(wǎng)架布置

網(wǎng)架荷載：上弦恒載：0.70kN/m2；上弦活載：0.70kN/m2；基本風(fēng)壓：0.3KN/m；溫度荷載：升溫或降溫30°；計算機程序自動形成網(wǎng)架自重。網(wǎng)架選用鋼管規(guī)格分別為：禮堂 ?42.5×3.5、?60×3.5、?114×4，?165×6，?180×12，體育館 ?60×3.5、?88×4、?114×4，?159×6，?180×8 等類型。

3 禮堂計算分析及方案優(yōu)選

本工程采用同濟(jì)大學(xué)有限元分析軟件3D3S建立計算分析模型，平面布置見圖3及圖4，三維模型如圖5。

圖5 禮堂網(wǎng)架三維空間模型簡圖

對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在各個荷載工況計算分析，并取所有荷載組合的包絡(luò)值比較分析，計算中構(gòu)件鋼結(jié)構(gòu)材料最大應(yīng)力比小于0.85。不同網(wǎng)架高度整體計算對比如表1。

表1 禮堂網(wǎng)架主要計算結(jié)果對比

由表1看出，禮堂網(wǎng)架由于平面長寬比較大，整體受力更趨向于寬度方向單向受力；高度由1.8m逐漸增加至3m，最大應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)，最小為0.836，滿足材料強度要求，同時最大撓度為100mm，小于規(guī)范限值的145mm，亦滿足要求；

結(jié)構(gòu)顯示出了不同的剛度，從結(jié)構(gòu)自振周期和最大節(jié)點位移體現(xiàn)出來，網(wǎng)架高度為3.0m時，周期與最大節(jié)點位移均為最小，故剛度最大，1.8m和2.4m周期與最大節(jié)點位移則較為接近，故剛度亦相當(dāng)；支座反力則隨著網(wǎng)架高度的增加而逐漸增大；而在用鋼量上，高度為2.4m時，用鋼量最低；

由此得出，對于禮堂網(wǎng)架，網(wǎng)架高度為2.4m時為最優(yōu)方案。

4 體育館計算分析及方案優(yōu)選

平面布置見圖3及圖4，三維模型簡圖類同圖5，類似地，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在各個荷載工況計算分析的整體計算結(jié)果如表2。

表2 體育館網(wǎng)架主要計算結(jié)果對比

由表2看出，體育館網(wǎng)架由于平面長寬相對較小，整體受力更趨向于雙向受力；高度由1.8m逐漸增加至3m，最大應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)，最小為0.825，滿足材料強度要求，同時最大撓度為153mm，小于規(guī)范限值的173mm，亦滿足要求；

結(jié)構(gòu)顯示出隨著網(wǎng)架高度逐漸增大，結(jié)構(gòu)自振周期和最大節(jié)點位移均逐漸減小，結(jié)構(gòu)剛度亦隨之增大，網(wǎng)架高度為3.0m時，周期與最大節(jié)點位移均為最小，故剛度最大；支座反力則隨著網(wǎng)架高度的增加而逐漸較小，這是由于網(wǎng)架更趨于雙向受力，結(jié)構(gòu)剛度變得更剛的時候，周邊支承的各個支座受力更趨于均衡；而在用鋼量上，高度為1.8m時用鋼量最大，高度為2.4m與3.0m時的用鋼量相當(dāng)；

由此得出，對于禮堂網(wǎng)架，在滿足建筑要求的情況下，網(wǎng)架高度為3.0m時剛度最大，而用鋼量也相對較小，故為最優(yōu)方案。

5 禮堂與體育館網(wǎng)架結(jié)果對比

兩個網(wǎng)架在網(wǎng)架高度不同的情況下，其結(jié)果之間的對比，如圖6～9。

圖6 周期-網(wǎng)架高度曲線

圖7 最大支座反力-網(wǎng)架高度曲線

圖8 撓度-網(wǎng)架高度曲線

圖9 每平米含鋼量-網(wǎng)架高度曲線

由圖6～9看出，相同的網(wǎng)架高度，由于體育館網(wǎng)架的跨度較大，故其周期和撓度均較大，但由于平面布置的不同，體育館網(wǎng)架更趨于雙向受力，其受力狀態(tài)更加合理，故其每平米用鋼量均小于禮堂，故在網(wǎng)架平面選型上，為達(dá)到更經(jīng)濟(jì)更合理的受力模式，盡量采用雙向受力的平板網(wǎng)架。

6 結(jié)論

（1）采用空間穩(wěn)定性比較好的四角錐網(wǎng)架，其結(jié)構(gòu)整體剛度大，當(dāng)荷載條件不變，改變不同的網(wǎng)架高度，可以直接的改變網(wǎng)架的剛度及用鋼量，又不會影響到下部結(jié)構(gòu)的受力，對施工也沒有影響，通過不同方案的分析選擇合適的方案。

（2）兩個不同平面尺寸及布置的網(wǎng)架，表現(xiàn)出不同力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，周邊支承較為均勻的雙向受力體系更合理。

（3）對于中大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案的選擇，需要多方比較衡量，綜合考慮既滿足建筑要求，結(jié)構(gòu)安全，又經(jīng)濟(jì)合理的方案。

[1]《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]鄭良知，東華挺，丁鼎春，方錦雷.體育館圓形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計.第十一屆全國工程建設(shè)計算機運用學(xué)術(shù)會議論文集，2002.

[3]陳國平，張代全，李可.某小型體育館鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.科技信息，2010.

[4]沈祖炎，等.鋼管結(jié)構(gòu)極限承載力分析的力學(xué)模型.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，1988.