從實際案例淺談場館類體育建筑位移比指標控制

摘?要：近年來隨著經(jīng)濟、科技的極速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的場館類體育建筑，建筑造型也越來越復雜。由于場館類體育建筑存在大跨度、大開洞、斜撐作用明顯等特點，導致該類建筑的結(jié)構指標計算存在很多難點，尤其是結(jié)構層間位移比指標。本文以某縣體育館建筑作為研究對象，首先介紹了工程概況、提出問題，其次探討了兩種解決思路，并結(jié)合實際工程設計經(jīng)驗進行歸納總結(jié)，作為日后類似工程的設計參考依據(jù)。

關鍵詞：體育館;位移比指標;抗震

一、 工程概況

某縣體育館建筑主要功能為一個5830座標準比賽主館和兩個標準手球訓練場及其相關配套設施。地上建筑共3層，高度為23.95米（室外地坪至檐口與屋脊的平均高度），建筑平面形狀為扇形，跨度約134×83米，為保證結(jié)構整體性，未設抗震縫，下部結(jié)構采用鋼筋混凝土結(jié)構體系，屋蓋采用空間管桁架鋼結(jié)構屋蓋，高度方向呈雙向曲面，曲面中間高而四周低，最大跨度92米。結(jié)構抗震設防類別：乙類，6度區(qū)，0.05g，三組，二類場地。本工程采用“多層及高層建筑結(jié)構空間有限元分析與設計軟件-YJK”進行結(jié)構整體分析，該模型已整合鋼結(jié)構屋蓋部分，并在柱頂設置短桿真實模擬鋼結(jié)構屋蓋下部的橡膠墊的剛度;采用CSI公司通用有限軟件SAP2000v19對鋼結(jié)構屋蓋部分進行計算和分析，該模型未帶入下部鋼筋混凝土部分。其總裝模型如圖1所示：

體育館看臺共兩層，分層建模，其中“標準層1”對應2層看臺，“標準層2”對應3層看臺，計算結(jié)果顯示，“X向最大層間位移角”為1/667，“Y向最大層間位移角”為1/1932，均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010 （以下簡稱《抗規(guī)》）表5.5.1框架結(jié)構彈性層間位移角限值（1/550）;在“X+偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為2.80;在“X-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為2.74;在“Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用”工況下，“標準層2”最大層間位移比為2.16，在“Y-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為2.20，均超出《抗規(guī)》3.4.4條第一款層間位移比限值（1.5）較多，按規(guī)范，應為特別不規(guī)則建筑，糾其原因，在于三層看臺與二層看臺連成一體，形成斜撐，但又按“層”建模，導致其節(jié)點剛度異常大，層間位移比失去意義。

二、 解決思路

（一）模型簡化

本工程由于體育館自身使用功能的特點，形成了二層樓面除比賽區(qū)域為洞口外基本完整的平面，二層樓面以上標高根據(jù)平面功能，形成了不同標高的較小面積的混凝土樓面，在體育館主比賽區(qū)由于看臺功能的需要，形成了通過看臺而形成的二層和三層樓面連成一個整體的近似于三角形的空間的結(jié)合體，如圖2所示;對應力學模型如圖3所示，由于通過傾斜的樓板把兩個標高的樓面連成一個整體，第二層與第一層之間不可能發(fā)生相對位移，也就是樓層剛度K趨近于∝，其力學模型更接近于下圖中圖4所示的力學模型，這個廣義“第一層”具有三個方向的質(zhì)量、剛度和相應的動力學特性，在YJK軟件中，定義上述廣義的“第一層”，以此為基礎進行計算，從力學概念上更加符合結(jié)構的真實情況，該“層”的計算指標應符合規(guī)范對于框架結(jié)構位移比、位移角等相關參數(shù)的規(guī)定。

結(jié)構計算軟件中的“層”是樓板不相連而通過豎向的柱、墻把不同標高的樓面連成整體，上下樓層之間的位移的相關性是通過豎向構件進行協(xié)調(diào)的。

按此簡化模型進行結(jié)構分析，結(jié)果顯示，“X向最大層間位移角”為1/663，“Y向最大層間位移角”為1/1904，均滿足《抗規(guī)》表5.5.1框架結(jié)構彈性層間位移角限值（1/550），且與按分層建模時，結(jié)構最大位移角數(shù)值接近;在“X+偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為1.48;在“X-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為1.46;在“Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為1.45，在“Y-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標準層2”最大層間位移比為1.42，均滿足《抗規(guī)》3.4.4條第一款層間位移比限值（1.5），為一項不規(guī)則。

（二）整體分析

對于類似于體育場館這種平、立面均不規(guī)則的空曠復雜空間結(jié)構，下部有規(guī)則層，上部沒有嚴格層概念的結(jié)構，位移比，位移角等基于層概念控制的指標，在沒有層概念的部分軟件輸出結(jié)果是不準確的。看臺應是一個整體，只是建模造成分層不均，所以將看臺作為一個整體（仍采用分層建模），采用電算詳細輸出，選取看臺四個角作為控制性節(jié)點，然后統(tǒng)計分析這些節(jié)點的位移及位移角，具體步驟如下：

（1）工況14.X+偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺的位移比計算結(jié)果，如表1所示：

（2）工況15.X-偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺的位移比計算結(jié)果，如表2所示：

（3）工況17.Y+偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺的位移比計算結(jié)果，如表3所示：

（4）工況18.Y-偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺的位移比計算結(jié)果，如表4所示：

由上面各工況得到，當看臺作為整體驗算時，最大層間位移比為1.49，滿足《抗規(guī)》3.4.4條第一款層間位移比限值（1.5），為一項不規(guī)則。

三、 結(jié)論和抗震措施

綜上分析，YJK等分層建模計算軟件，計算位移比時按層輸出數(shù)據(jù)，針對體育場館等空曠復雜空間、沒有嚴格層概念的結(jié)構，位移比輸出結(jié)果是不準確的。位移比、位移角等基于層概念控制的指標，可采取合理的簡化模型或按整體分析法得到。針對體育場館類公共建筑，人流量較大，且平面、立面不規(guī)則的復雜結(jié)構，在滿足結(jié)構指標的前提下，尚應采取一些加強措施，以保證結(jié)構抗震性能：

（1）此類建筑一般都存在薄弱層，應驗算結(jié)構在罕遇地震作用下的彈塑性變形，避免結(jié)構在強烈地震作用下，由于結(jié)構薄弱部位產(chǎn)生了彈塑性變形，結(jié)構構件破壞嚴重甚至引起結(jié)構倒塌。

（2）依《抗規(guī)》5.1.2條，采用彈性時程分析對結(jié)構的地震作用計算進行補充驗算。

（3）對結(jié)構關鍵部位，如作為屋面桁架支撐點的框架柱補充抗震性能化設計，提高構件性能化設計目標，性能目標可設定為：中震抗彎不屈服，抗剪彈性，大震抗剪不屈服。

四、 結(jié)語

本文通過實際工程案例對場館類體育建筑位移比指標不滿足進行了分析，并給出了兩種解決方法，結(jié)論，此場館類體育建筑位移比指標不可按“常規(guī)層”來計算，可采用“廣義層”計算，同時應嚴格控制結(jié)構層間位移角。

參考文獻：

[1]建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2010（2016 年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

作者簡介：薛書洋，南京大學建筑規(guī)劃設計研究院有限公司。