毛里求斯綜合體育中心游泳館鋼結構分析與設計

房鵬鵬，鄭春林

（中國京冶工程技術有限公司，北京100088）

1 工程概況

本工程位于毛里求斯首都路易港。綜合體育中心擁有綜合體育館、游泳館、體育場和足球場。該中心是毛里求斯最大的體育中心，也是首個達到國際標準的體育場館。2019 年7月，第十屆印度洋島國運動會在該中心舉辦。游泳館為中國政府試點采用受援國自建模式建設的經濟援助項目，其中建筑方案設計為南非公司，結構方案設計為英國公司，中方為深化設計單位，結構專業需將歐洲鋼材替換為中國鋼材，并按歐洲標準進行施工圖設計[1，2]。圖1 為游泳館現場施工照片。

圖1 游泳館現場施工照片

2 屋蓋結構體系

整個鋼屋蓋（見圖2）由4 個鋼筋混凝土方形空心柱支承，柱距66.65m×46.96m，柱截面尺寸2.5m×2.5m，柱壁厚0.4m。屋頂最高點離地面高度約19m。鋼屋蓋平面尺寸為69.2m×49.51m，上弦面為雙坡屋面，坡度1：47.6（相對高差700mm）；下弦面為反對稱雙曲面；采用平面桁架體系，由2 榀相同主桁架、13 榀不同的次桁架及若干聯系構件、支撐組成。平面主桁架軸線高度最大4.34m，最小3.35m；次桁架根據造型高度在2.67～4.72m 變化。桁架與混凝土柱頂之間采用商品鉸支座，其中西南位置為固定鉸支座，東南位置（釋放東、西方向位移）與西北位置（釋放南、北方向位移）為單向滑移支座，東北位置為雙向滑移支座。

圖2 屋蓋三維軸測圖

3 分析條件及設計要求

3.1 荷載及作用

根據外方SPEC（技術說明）要求，結構分析中考慮如下荷載：（1）結構自重：由計算程序自動計入；（2）恒載：金屬維護系統屋面0.70kN/m2，吊頂0.30kN/m2，墻面0.50kN/m2，馬道1.0kN/m；（3）活載：屋面0.50kN/m2，馬道1.5kN/m，排水溝4.0kN/m；（4）風荷載[3]：考慮50a 重現期的峰值速度風壓取3.3kPa，結構系數取1.0；壓力系數：迎風面0.8、背風面0.5、側面0.7、上下面凈壓力系數取-1.4 與0.5 2 種情況；（5）名義水平力：重力荷載值的0.5%；（6）強制位移：每個混凝土柱考慮豎向收縮及基礎不均勻沉降30mm，柱頂任意方向考慮側移50mm，并做不同排列組合；（7）溫度作用：±50℃；（8）地震作用[4]：水平地震基本加速度取0.15g，按底部剪力法進行校核驗算；（9）偶然荷載：關鍵構件表面考慮34kPa 作用力進行校核驗算。

3.2 荷載組合

主要內力基本組合：1.35 恒+1.5 活+0.9 風+0.9 溫+1.0 名義水平力+1.0 沉降及側移；1.35 恒+1.5 風（向上）+0.9 溫+1.0名義水平力+1.0 沉降及側移；1.0 恒+1.5 風（向下）+0.9 溫+1.0名義水平力+1.0 沉降及側移。

主要位移標準組合：1.0 恒+1.0 活；1.0 恒+1.0 風；1.0 恒+1.0 溫；1.0 恒+1.0 風+0.6 溫；1.0 恒+0.6 風+1.0 溫。

3.3 構件截面

主桁架弦桿：焊接H 型鋼H450mm×500 mm×30mm×30mm、H450mm×500mm×30mm×35mm、H450mm×550mm×35mm×35mm；腹桿：焊接方管及冷彎方管□500mm×35mm ～□250mm×10mm。

次桁架弦桿：焊接H 型鋼H450mm×400mm×18mm×18mm、H450mm ×400mm ×18mm ×22mm、H450mm ×400mm ×18mm ×25mm、H450mm×450mm×18mm×30mm；腹桿：冷彎方管□300mm×12mm～□160mm×6mm。

聯系桿件：冷彎方管□180mm×8mm、□160mm×6mm、□200mm×8mm、熱軋H 型鋼HW200mm×200mm×8mm×12mm。

水平支撐：圓管φ219mm×12mm、φ203mm×8mm。

主鋼結構材質為Q345B。

3.4 設計要求

1）設計使用年限：50a；

2）屋蓋豎向撓度：荷載標準組合作用下不超跨度L的1/250；可變荷載頻遇組合作用下不超跨度L的1/300；

3）屋蓋側向變形：荷載標準組合作用下不超高度H的1/500；

4）屋蓋自振頻率不小于1Hz，以避免增強風振效應；

5）考慮結構變形及安裝制造誤差后的屋面坡度應不小于1：80[5]。

4 主要計算結果

4.1 構件應力比

采用建筑結構通用有限元分析與設計軟件MIDAS/Gen海外版對結構構件根據Eurocode 3 的相關條款進行驗算，最大構件應力比為0.867，所有構件應力比均小于1.0，如圖3所示。

4.2 自振模態

屋蓋結構前4 階自振模態見表1，第一周期大于1Hz，滿足SPEC 要求。

表1 結構前4 階自振模態

圖3 構件驗算應力比示意圖

4.3 豎向撓度

（恒載+下壓風載）標準組合作用下，最大相對撓度出現在邊榀次桁架跨中，撓跨比為Δ/L=（213-2）/66 650=1/316＜1/250，如圖4 所示。考慮撓度及安裝制造誤差（50mm）后的屋面坡度為（700-213+2-50）/（66 650/2）=1：75.9＞1：80，滿足SPEC 要求，故屋蓋未做預起拱處理。

圖4 邊榀次桁架位移圖

5 支座更換設計

由于屋蓋桁架支座采用商品支座，外方要求支座需考慮在設計使用年限內的更換，提供支座更換的相關技術參數及操作步驟。對此進行詳細的支架設計，提供了支架具體的尺寸參數（見圖5）以及更換支座的操作步驟（見圖6）。另外，對更換過程進行詳細的施工過程模擬計算，保證技術措施的可實施性。

6 結語

對采用中國鋼材按歐洲標準進行設計的典型工程進行了詳細的設計過程介紹。分析計算結果滿足相關規范及SPEC 要求。隨著“一帶一路”倡儀的不斷推進，我國設計企業參與的海外項目也將越來越多，采用中國鋼材按歐洲標準進行設計的項目也將難以避免，希望本工程的順利實施能有一定的參考意義。

圖5 支座更換支架設計

圖6 支座更換過程示意圖