體育館鋼桁架防連續倒塌分析與機理研究

鄭正飛

（中國江西國際經濟與技術合作有限公司，江西 南昌330000）

時代的進步與發展促進了建筑行業的大規模化發展，對我國經濟的可持續發展發揮著不可替代的作用。與此同時，一些大工程、大項目建設越來越受我國的格外重視，并對大工程、大項目建設提出了更高的要求。如體育館工程的建設，在注重其美觀實用性時，還尤為重視體育館建筑的安全性。然而，由于體育館鋼桁架的設計難度加大，一旦設計和施工不合理，就會造成連續倒塌的安全隱患。所以，如何做好體育館鋼桁架防連續倒塌的設計工作依然是值得探討的一個問題。因此，論文對體育館鋼桁架防連續倒塌分析與機理研究有一定的現實意義。

1 體育館鋼桁架防連續倒塌的設計

湖北省奧林匹克體育中心主要有主桁架、懸梁結構兩個部分，中心占地面積1000 畝，總建筑面積14 萬平方米。主桁架的斜腹桿和上下弦以箱形截面為主。休息廳樓蓋以主次鋼梁結構為主，體育館的樓面荷載，主要是從次梁向封邊鋼梁方向傳遞，之后在吊柱作用下于懸挑桁架上吊掛封邊鋼梁。湖北省奧林匹克體育中心的屋面懸挑桁架的構成有兩個部分，也即是斜腹桿和上弦桿。這一體育中心的構造不僅保證了建筑空間的使用功能，也突出了建筑的獨特造型。

1.1 體育館防連續倒塌設計方法

一般來說，體育館防連續倒塌設計有專門的層次，第一個是事件控制法，第二個是間接設計法，第三個是直接設計法。就間接設計法而言，實質上就是概念設計。就直接設計法而言，主要包括了構建拆除法和關鍵構件法。當前接口抗連續倒塌設計中，都有著特有的設計規范。在構件失效準則上，湖北省奧林匹克體育中心通過采用相關變性準則，對構件是否失效進行判定。截面受剪構件的判定，以強度準則來判斷。由于構件結構非常重要，在GSA 2005 標準的規定下，一般以防護級別高的構件作為限值。受拉構件延性系數為10，受彎構件界面塑性鉸的轉角為6°，受壓構件延性系數為2，截面剪力抗剪極限承載力最大時，就能判斷構件失效。桁架結構的倒塌限制，如果和失效構件連接的平面無連續倒塌現象，就會向相鄰跨漸漸地卸載荷載。確切來說，整體結構倒塌的標準，一般是依據出現不可接受的大變形為主，也會以結構直接失效為準。對此，湖北奧林匹克體育中心在考慮到結構的重要性，變形限值的撓度是1/100。湖北省奧林匹克體育中心的防連續倒塌設計，選用性能等級非常高的消防材料，這就不用考慮火災引起的偶然事件。同時，節點帶有抗震設計，在正常使用時，其荷載工況能力極強。

1.2 體育館防連續倒塌概念設計

1.2.1 體育館主桁架系統的設計

湖北省奧林匹克體育中心的一榀桁架失效后，兩端支承柱出現坍塌，這時候要借助于備用路徑重新分布內力。通過在主桁架三分之一跨度的位置，設置縱向穩定桁架兩道，只要中間榀桁架失效，這時候就能立即和穩定桁架相連接，其荷載就會向兩側桁架卸載。邊榀桁架失效時，輔助穩定桁架就會重新分布內力重[1]。同時，桁架支座失效時，這時候會向封邊桁架重新完成內力重分布。這說明，主桁架構件在設計時，應給予高度的重視。掌握主桁架上下弦桿的內力重變化情況，可對桁架內力的變化過程進行分析，并做好內力重的重新分布。畢竟，主桁架上下弦桿的變化，主要是從支座逐漸向跨中增加，腹桿是從支座位置向跨中減少，拉桿力明顯少于壓桿力。

1.2.2 體育館懸掛結構系統的設計

湖北省奧林匹克體育中心的懸掛結構系統設計，要從懸挑吊掛結構傳力說起。一般來說，懸挑吊掛結構在傳力過程中，有單線程傳力特點，只要有一個環節構件失效，這時候就會中斷傳力。對此，吊柱傳力應給予高度重視，并格外關注懸挑桁架的功能。懸挑桁架端部的平面，一般都設置了連系梁，當懸挑桁架功能失效，可借助于連系梁的作用進行拉結，這時候吊柱就會向一側桁架卸載荷載。傳力系統離不開吊柱，吊柱是傳力途徑順利進行的關鍵。這時候應采用關鍵構件法，但是預期效果可能不佳。就湖北省奧林匹克體育中心而言，通過在吊柱內設置了高礬索作為吊柱傳力的替代品。這主要是因為高礬索不僅有預先張拉力，更有豎向剛度，對連續倒塌的動力效應有一定的緩解效果。

2 體育館鋼桁架防連續倒塌的內力重分布機制

由于湖北省奧林匹克體育中心鋼桁架結構非常復雜，有主桁架和懸掛結構系統兩個部分。在分析其防連續倒塌的內力重分布機制時，要從主桁架內力重分布及懸掛結構系統的內力重分布兩個方面說起。具體來說，如下所示：

2.1 主桁架內力重分布

湖北省奧林匹克體育中心的主桁架內力重分布過程中，以非線性結構動力的響應為主，當結構桿件失效，就會有一個新的內力重分布機制。當新的內力重分布機制和靜力分析符合時，其主桁架內力重分布的動力就會非常明顯，且局部變形需求和內力都是非常大的。非線性結構動力效應有一定的變化特點，當鄰近初始失效桿件周圍的桿件動力效應大時，如果和初始失效桿件的位置很遠，這時候就會有著越小的動力效應。主桁架中有任何一處構件失效了，附近的構件就會有著突然變大的彎矩，并出現變形，有著塑性鉸趨勢，以至于內部內力重分布發生改變。主桁架上弦桿失效后，下弦桿及腹桿都會出現塑性鉸趨勢[2]。當支座處的上弦桿和下弦桿失效，這時候對應于桁架另一側的桿件就會有著越來越小的內力，便增加了跨中弦桿的內力。跨中弦桿內力失效，就增加了邊跨弦桿的內力。當桁架和屋面鋼梁穩定時，跨中弦桿初始失效的話，這時候跨桁架的荷載會漸漸地向相鄰跨桁架卸載。跨中區域的弦桿初始失效時，內力重分布明顯，且其變化明顯要大于邊跨弦桿初始失效時的內力重分布。主桁架剪力小時，跨中腹桿失效，內力重分布變化并不十分顯著。通過設置穩定桁架、封邊桁架、屋面剛接鋼梁，可促進主桁架內力重的重新分布，也避免了主桁架引起的整體連續倒塌。

2.2 體育館懸掛結構系統的內力重分布

邊跨吊柱失效后，傳力途徑被中斷。一側封邊鋼梁的內力重分布能力有限，以彎曲失效狀態存在，連續倒塌就會發生。這時候，要想防連續倒塌，就要不斷地加強備用傳力途徑，利用關鍵構件。可采用候補傳力途徑，在吊柱內增設高礬索為二道防線，只要節點不會失效，就能遏制連續倒塌機制。對此，湖北省奧林匹克體育中心在吊柱內衣高礬索作為二道防線，通過加強吊柱上下節點的設計，以便于荷載作用下節點的強度足夠大。桿件失效后，這時候相鄰構件的彎矩會變大，以至于桿件彎曲變形，出現塑性趨勢。桿件失效之后，增加了相鄰構件在桿端的彎矩，彎曲變形十分明顯，塑性鉸出現，并出現相應的內力重分布。懸挑桁架失效后，這時候內力重分布非常明顯，這是因為當懸掛桁架失效后，明顯大于吊住初始失效的內力爭分布，并阻斷結構連續放倒塌破壞[3]。同時，封邊鋼梁對結構整體內力重分布作用明顯，同時懸挑桁架端連系梁對于結構整體內力重也有著至關重要的作用，可避免個別桿件失效引起的整體連續倒塌。

綜上所述，體育館鋼桁架防連續倒塌的設計與掌握內力重分布十分重要。在鋼桁架防連續倒塌的設計中，應分析整體結構構件的功能作用，判定整體結構的關鍵構件，提高結構的冗余度，保證多荷載傳遞路徑。與此同時，掌握內力重分布時，應分析桿件間的節點，仔細分析桿件間彎矩的實際抵抗能力，并避免桿端出現塑性鉸趨勢。總之，體育館鋼桁架防連續倒塌應高度重視主桁架內力重于懸掛結構內力重的分布特點，提高體育館鋼桁架防連續倒塌的強度，最大限度上保證體育館的安全。