某體育文化中心大跨屋蓋結構設計

曹 靈 泳

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

上海某區體育文化活動中心一期工程，建設內容包括體育館、殘聯用房及停車庫等配套服務設施。建成后總建筑面積為30 880 m2，其中地上建筑面積18 880 m2，地下建筑面積12 000 m2。本文涉及其中體育館的屋蓋結構設計。鋼屋蓋長約79.3 m，寬約77.1 m，采用沿斜向正交布置的交叉張弦桁架結構，張弦桁架最大跨度為71.276 m；所有屋蓋鋼結構均通過抗震球形鋼支座支承于混凝土柱頂上，所有支座均為固定鉸支座。結構最高點為25.606 m。結構的設計使用年限為50年，安全等級為二級，耐火等級為一級。建筑效果圖如圖1所示。

2 結構選型與結構布置

根據屋面的建筑形態、下部結構可以提供的支承條件以及建筑要求的效果，并綜合考慮各結構體系適用性，屋頂按區域采用不同的結構形式，如圖2所示。

1)標準柱跨區域，采用鋼框架結構，與大跨連接處的鋼梁采用鉸接，釋放大跨桁架變形引起的彎矩，見圖3。

2)主場館大跨區域：建筑要求結構主要構件沿場館的45°斜向正交布置，以契合建筑效果，綜合考慮跨度、經濟性等因素，大跨區域采用雙向正交布置的張弦桁架結構。張弦桁架總高度5 m。上弦采用雙向正交布置的桁架結構，桁架采用鋼管焊接而成，總高度1.8 m。下弦采用雙向正交布置的索系，索系下凸形成一個凸透鏡面，在索系和上部桁架構件的節點位置布置豎向撐桿(最高處3.2 m)，從而構成雙向正交張弦桁架，能夠保證上弦和下弦的整體穩定[1]。桁架與支座鋼柱連接，支座鋼柱通過抗震球型鉸支座與下部混凝土結構連接。

豎向荷載下，上部桁架結構受壓受彎，下部索系受拉，形成桁架機制，同時撐桿受壓起到了對上部的反拱作用，改善了結構的豎向剛度和承載力。周邊通過抗震球型鉸支座支承于下部混凝土柱頂，豎向力可以直接傳遞給下部結構。水平力的傳遞，由于上部桁架是斜向正交布置，類似于滿堂支撐形式，同時還在主桁架壓彎構件上弦桿平面內布置了封閉的交叉支撐，面內剛度好，故水平力通過桁架結構直接傳遞給抗震球型鉸支座，進而傳遞給下部混凝土結構。

本文主要討論大跨區域的張弦桁架的設計。

主要鋼材采用Q345B，柔性支撐采用Q235B,桁架鋼管主要截面尺寸為φ89/4～φ325/14，拉索為φ5×109的PE索，撐桿截面為φ159/8。

結構布置如圖4,圖5所示。

3 結構設計與分析

3.1 結構計算模型

在結構設計軟件3D3S中建立了整個屋蓋和下部混凝土框架結構的整體模型[2]，能夠準確模擬屋蓋的邊界條件,如圖6所示。

對于張弦桁架的上弦壓彎構件：弦桿采用梁單元模擬，考慮軸力的作用，按照壓彎或者拉彎構件驗算；腹桿采用兩端鉸接的梁單元模擬，按照軸拉或者軸壓構件驗算；對于張弦桁架的撐桿，腹桿采用兩端鉸接的梁單元模擬，按照軸壓構件驗算；對于張弦桁架的拉索及屋面交叉支撐采用兩端鉸接的梁單元模擬，設置為只拉單元[3]，按照軸拉構件驗算；對于周邊的支座鋼柱，采用一端鉸接的梁單元模擬，鉸接端模擬抗震球型鉸支座，考慮軸力的作用，按照壓彎或者拉彎構件驗算；屋面荷載和吊掛荷載通過在壓彎構件上弦和下弦平面上設置質量和剛度均為零的虛面來導荷載；下部混凝土結構按照真實的結構布置和荷載輸入。

3.2 荷載取值及設計控制指標

3.2.1荷載取值

屋面荷載通過虛面導至四周的結構桿件上。

1)結構自重：由程序自動計算，并將鋼材容重放大1.1倍，以考慮節點增大系數。

2)屋面恒荷載：按實際取值，含吊頂，燈具，金屬屋面荷載，馬道等，大部分區域取為1.8 kN/m2，局部區域取為2.8 kN/m2。

3)雪荷載：取100年重現期的基本雪壓0.25 kN/m2，按全跨積雪的均布分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況考慮。雪荷載標準值取為0.5 kN/m2。

4)活荷載：大部分區域0.5 kN/m2，局部區域1.0 kN/m2(含馬道檢修活載)。雪荷載與活荷載取大值進行荷載組合。

5)風荷載：取50年一遇的基本風壓0.55 kN/m2，屋面的風荷載體型系數取為-0.60，地面粗糙度類型為B類。

6)溫度作用：月平均氣溫：最高36 ℃，最低氣溫-4 ℃鋼結構合龍溫度暫為10 ℃～25 ℃，最終考慮升溫25 ℃，降溫25 ℃。

7)地震作用：本工程體育館考慮兼有演出功能，按文化娛樂建筑取抗震設防類別為重點設防，按本地區設防烈度7度計算地震作用，按8度采取抗震措施。設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.10g，建筑場地類別為Ⅳ類，場地特征周期Tg=0.90 s。考慮水平和豎向地震的作用。

3.2.2鋼結構設計主要控制指標

豎向撓度：跨中撓度限值[L/300]，L為屋蓋跨度；懸挑端撓度限值[L/150]，L為懸臂長度；

桿件應力比：不大于0.9f(f為鋼材的強度設計值)；拉索內力小于其破斷荷載的1/2(安全系數不小于2)。

3.3 典型工況下的靜力分析

初始狀態下(拉索張拉完畢，屋面荷載和活載未施加)拉索的內力應使得張弦桁架在各種工況下的撓度和承載力滿足要求，且在風吸作用下拉索不發生松弛。經過試算調整，拉索內力如圖7所示。初始狀態下，主桁架壓彎構件上下弦的內力都較小，拉索內力較為均勻。

在豎向荷載作用下，主桁架壓彎構件的上弦和下弦以承受的軸力為主，承受的彎矩很小，可見主桁架將受彎的梁內的復雜應力狀態轉化為桁架桿件內簡單的拉壓應力狀態。力流傳遞清晰直觀，壓彎構件上下弦受力較為均勻，如圖8,圖9所示。

拉索最大軸力為1 300 kN，遠小于其破斷荷載3 360 kN；風吸作用下，拉索最小軸力為497 kN，拉索始終不松弛，如圖10所示。

桿件應力比如表1所示。

從上述內容可以看出，在各荷載組合工況和初始狀態下，鋼屋蓋的強度應力、穩定應力均小于0.9，拉索內力安全系數大于2.0，滿足要求。

表1 鋼屋蓋各部位主要桿件應力比

3.4 典型工況下的變形分析

考察大跨屋蓋中心點在各工況下的撓度。

1)非地震組合工況下，中心點撓度如表2所示。

表2 鋼屋蓋結構變形分析結果 mm

表2及圖11說明：結構跨中的最大撓跨比為1/467，滿足規范關于結構限值[1/300]的要求。

2)地震組合工況下，中心點撓度如表3所示。

表3 屋蓋小震反應譜分析變形結果 mm

表3及圖12說明：鋼屋蓋在重力和地震組合下的結構撓跨比為1/486，滿足規范[4]第10.2.12條關于大跨度屋蓋結構限值的要求。

3.5 屋蓋的極限承載力分析

采用ANSYS軟件[5]彈塑性極限承載力計算分析。材料采用雙線性隨動強化模型，穩定分析采用弧長法(選取桁架的跨中節點進行荷載—位移曲線繪制)。

本結構體系進行彈塑性極限承載力分析時考慮初始缺陷(L/300)的影響[6]，初始缺陷的分布形式取為第一階屈曲模態。

分析結果如圖13所示。

由以上荷載—位移曲線可以看出：

1)考慮材料非線性和初始缺陷后，臨界荷載因子約為4.0，滿足規范要求的2.0[6]。說明當結構的荷載在施加到4.0倍時結構無法繼續承載而發生破壞，結構彈塑性承載力因子滿足要求。2)對該工程而言，結構最終是由于桿件較多進入塑性而無法繼續承載，屬于強度破壞，此時，結構并未發生整體失穩，表明結構整體穩定性較好。3)結構的豎向荷載位移曲線均較接近直線，說明結構受到非線性影響并不明顯，結構的剛度并未發生顯著折減。

4 結語

本工程根據建筑效果的需求，在大跨屋蓋區域選用雙向正交布置的張弦桁架結構；通過建立屋蓋與下部混凝土結構的整體模型，分析了各工況的結構內力和變形，計算結果表明屋蓋結構受力清晰，各桿件應力比小于0.9，拉索內力安全系數大于2.0，變形滿足規范要求；利用ANSYS有限元軟件對屋蓋結構進行了極限承載力分析，臨界荷載因子滿足規范要求，結果表明屋蓋結構具有良好的穩定性。