采用張弦梁屋蓋的某大跨體育館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蘇志德， 蔣元成， 李 巖

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610000)

本項(xiàng)目建于四川省宜賓市，本文主要針對其中的體育訓(xùn)練館做論述。體育訓(xùn)練館地上二層，地下一層，建筑高度15.25m，建筑面積9 988.13m2，使用功能為大、中專體育教學(xué)用房，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、主館屋蓋采用張弦梁結(jié)構(gòu)，副館屋蓋采用大跨度鋼梁結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)形式和布置

(1)該場館主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主館屋蓋采用張弦梁結(jié)構(gòu)，副館屋蓋采用大跨度鋼梁結(jié)構(gòu)。

(2)該場館整體為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，未設(shè)置抗震縫，主要柱網(wǎng)尺寸8.6m×8.6m；該結(jié)構(gòu)單元X向總長為110.7m，Y向總長為73.4m，兩個(gè)方向均超長。

(3)該場館場地左側(cè)至右側(cè)高差6m，底板標(biāo)高-6.000m，上部、下部和左側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋墻與主體框架結(jié)構(gòu)形成抗側(cè)力體系，右側(cè)開敞與-6.000m標(biāo)高室外場地相接；嵌固端為基礎(chǔ)頂面。

2 抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算與分析

該體育訓(xùn)練館在SATWE中的整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 SATWE中的整體計(jì)算模型

體育訓(xùn)練館在小震作用下的整體計(jì)算指標(biāo)如表1所示。

通過表1可以看出，本工程各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3 樓板溫度作用下的應(yīng)力分析

因升溫使得混凝土膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，故本工程僅考慮降溫對混凝土收縮產(chǎn)生的影響。降溫工況下一層和二層的最大主應(yīng)力如圖2所示。

通過在降溫工況樓板應(yīng)力的分析下，可以得出如下結(jié)論：

在降溫作用下，體育訓(xùn)練館一層上部的樓梯間位置和下部兩處凹形角點(diǎn)處最大主應(yīng)力超過2MPa(圖2中矩形框范圍內(nèi))，最大值達(dá)到2.7MPa，超過C30混凝土的開裂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa；其他各樓層樓板應(yīng)力水平均未超過2.0MPa；

表1 主要計(jì)算指標(biāo)匯總

(a) 一層(H=±0.000)

(b) 二層(H=4.500)圖2 體育訓(xùn)練館樓板降溫工況下樓板最大主應(yīng)力(單位:MPa)

主館和副館之間的二層連接樓板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他樓板應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。

針對以上樓板分析，應(yīng)采取的加強(qiáng)措施：

(1)體育訓(xùn)練館一層、二層樓板除懸挑板外板厚不小于120mm，配筋雙層雙向拉通設(shè)置且配筋率大于0.20 %；

(2)主館和副館一、二層連接處樓板板厚取150mm，配筋率大于0.25 %；

(3)一層最大主應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的范圍(圖2(a)中矩形框范圍內(nèi))采用通長筋+附加鋼筋的形式，溫度應(yīng)力由附加鋼筋承擔(dān)。

4 體育訓(xùn)練館主館屋頂——雙向張弦梁受力分析

4.1 采用模型和分析過程

采用SAP2000對主館屋蓋進(jìn)行分析。其中，采用索單元模擬雙向張弦梁、屋蓋與下部主體結(jié)構(gòu)的連接采用“彈簧”連接單元(彈性支座)。該屋蓋屬于對風(fēng)恒載比較敏感的結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓取100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓。屋蓋與下部主體結(jié)構(gòu)的總裝模型和屋蓋結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

4.1.1 整體模態(tài)分析

SAP2000在自重剛度下的模態(tài)計(jì)算與SATWE計(jì)算結(jié)果對比如表2所示。可以看出，SAP2000和SATWE軟件在振型計(jì)算上基本吻合；SATWE軟件中采用等代樓蓋簡化處理合適，不影響整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

表2 周期對比結(jié)果 s

4.1.2 小震彈性時(shí)程分析

時(shí)程分析選用小震彈性時(shí)程的地震波，下弦索編號如圖4所示。通過時(shí)程分析，求得索在地震作用下的內(nèi)力并與反應(yīng)譜的結(jié)果相比較，如表3所示。

圖3 屋蓋與下部主體結(jié)構(gòu)的總裝模型和屋蓋結(jié)構(gòu)布置

圖4 下弦索編號

以上對比可以看出，反應(yīng)譜分析所得到的索內(nèi)力比時(shí)程分析分析包絡(luò)值內(nèi)力偏大7 %左右，故采用反應(yīng)譜方法進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏安全的。

4.1.3 主要構(gòu)件分析結(jié)果

屋蓋強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比如圖5所示。可以看出，所有桿件的應(yīng)力比均小于0.5。下弦索的最大張力為1 090kN；最小張力56.8kN；并且所有組合工況下，索均為拉力。本工程選用的索抗拉設(shè)計(jì)值：A·Fu/k=3739×1670/2=3122kN，滿足計(jì)算要求。

屋蓋最大豎向位移如圖6所示。屋蓋最大豎向位移(向下)發(fā)生在荷載組合1.0D+1.0L(滿跨)時(shí)，位移值為172.6mm，對應(yīng)1/290L，滿足規(guī)范不大于1/250L的要求。

綜上所述，此屋蓋強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形均滿足規(guī)范要求。

4.2 分析結(jié)論

通過上述分析，主館采用雙向張弦梁結(jié)構(gòu)形式、與主體結(jié)構(gòu)采用彈性球鉸支座連接的屋蓋結(jié)構(gòu)形式在強(qiáng)度、穩(wěn)定、撓度方面均能滿足規(guī)范要求。

表3 反應(yīng)譜和時(shí)程分析單工況索張力對比 kN

圖5 屋蓋強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比

5 結(jié)論

通過上述分析可以看出：

圖6 屋蓋最大豎向位移(1.0D+1.0L(滿跨))

(1)本子項(xiàng)體育訓(xùn)練館因建筑功能需要，未設(shè)置抗震縫。通過上述分析，該體育館整體作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范的要求。

(2)體育館因未設(shè)置抗震縫形成超長結(jié)構(gòu)。通過樓板應(yīng)力分析，其在溫度應(yīng)力作用下，大部分位置均能滿足不開裂的要求，個(gè)別不滿足的位置通過通長筋+附加鋼筋的形式補(bǔ)強(qiáng)。連接較為薄弱位置的樓板采取適當(dāng)加強(qiáng)措施。

(3)主館屋蓋采用張弦梁的結(jié)構(gòu)形式。通過分析，該屋蓋強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形均滿足規(guī)范要求。支座采用彈性球鉸支座，有效減小溫度應(yīng)力。采用的索相交節(jié)點(diǎn)處理方式能夠保證索體在夾具中不滑移。