體育館等空曠建筑的結構設計方案分析

福建福大建筑設計有限公司，福建 福州 350002

關鍵字：空曠建筑；結構設計；體育館

本文討論屋蓋為鋼網架或桁架，下部為鋼筋混凝土框架的體育館等空曠建筑結構的設計方法，可供結構設計人員參考。此類結構特點是，體型復雜，大跨度，樓面面積較小，大開洞，屋蓋一般為網架或桁架大跨度鋼屋蓋，下部結構為鋼筋混凝土框架或框架剪力墻體系。近年來，隨著我國建筑行業(yè)及經濟的迅速發(fā)展，像體育館等空曠建筑越來越多，而針對空曠建筑，規(guī)范對其規(guī)定的內容不是很多，這就給經驗尚未豐富的結構設計人員在初次接觸此類結構時，會造成一時的找不到設計思路，不知道該控制哪些參數(shù)，不知道該注意什么，不知道需要加強什么，概念設計又包括哪些方面等問題。在本文中，本人結合剛做完的一個實際工程對這類建筑結構設計的方法進行討論，總結此類建筑的一般設計方法、設計步驟，給結構設計人員在設計此類建筑時以參考，明確設計思路。

本文的實例工程為：某市職業(yè)中專學校體育館。

1 工程概況

本工程所在地的場地抗震抗震設防烈度為8 度（0.20g），設計地震分組為第二級，場地類別為II。此體育館建筑高度為21.77m，中間為比賽運動場地，四周為看臺及局部辦公室，看臺為2 層，局部辦公室為4 層，屋蓋采用鋼網架結構，下部結構采用鋼筋混凝土框架結構，體育館剖面示意圖見圖1。

2 概念設計

此類建筑結構應注重概念設計，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置，以保證結構具有良好抗震性能。此類建筑概念設計的內容包括：選擇對抗震抗風有利的結構方案和布置、結構整體是增加剛度還是減小剛度、釋放溫度應力還是硬抗溫度應力、盡可能多地使構件處于軸向受力狀態(tài)而充分發(fā)揮材料強度、盡可能多地使構件處于受拉狀態(tài)而避免穩(wěn)定性問題、結構傳力路徑的選擇等［1］。本工程工程的結構概念設計主要從以下幾方面考慮：

圖1 體育館剖面示意圖

2.1 加強網架支座下的鋼筋混凝土柱

（1）加大柱的截面尺寸，截面不能限制得太小，應比計算需要的適當放大。本工程采用直徑為900mm、1000mm的圓形截面柱，計算出的軸壓比最大為0.40。

（2）將此柱的抗震等級提高一級。

（3）比計算結果適當放大柱的縱筋。

（4）柱的箍筋采用全長加密，以提高柱的延性。

2.2 對薄弱部分采取加強措施

（1）對于柱頂?shù)沫h(huán)梁，應加大其截面，使其有足夠的剛度，保證結構的整體性。對于本工程，頂部的環(huán)梁截面400mm×900mm。且在配筋時，環(huán)梁的縱筋應有較多的拉通筋，以承受拉力。

（2）對四周的局部樓板，當板寬度較小時應加強板厚及配筋。對于本工程在四層處的天橋，其寬度只有1.7m，故本設計對天橋板進行了加強設計，板厚采用150mm 厚，配筋為雙層雙向拉通設置。

3 設計方法

（1）鋼屋蓋采用鋼結構設計軟件進行建模分析。

（2）下部鋼筋混凝土結構采用PKPM 鋼筋混凝土結構相應模塊進行建模分析，并將鋼屋蓋在支點處的內力在柱的節(jié)點處以節(jié)點內力輸入，參與計算。且分析時對于整體指標的控制及配筋計算應分別建立模型進行分別計算，兩個模型在建模分析時的主要注意點如下：①整體指標計算模型：網架屋蓋用鋼梁輸入，柱上端設置成鉸接，板厚可設50mm（主要是考慮網架屋蓋的自重及剛度），考慮剛性樓板假定計算整體指標：位移、位移比、周期、周期比；②配筋計算模型：網架屋蓋按空洞輸入，將支座反力按節(jié)點內力輸入在柱頂，柱上端設置成鉸接。又因網架屋蓋有風浮力及豎向地震作用，所以提供過來的支座反力是一個從最大正值到最小負值的一個范圍，而X 向及Y 向力取最大值/1.2 按整個平面同一個方向輸入即若輸正值則全部輸正值，若輸負值則全部輸負值，故按以下兩種工況模型分別計算：a.體育館Nmax 工況模型：根據(jù)網架提供的支座反力，取RZ 為負最大值（即向下的壓力最大值）；同時考慮梁上的墻體荷載。此模型用于：計算梁配筋；計算柱在壓力工況下的配筋；計算在壓力工況下的柱底內力；b.體育館Nmin 工況模型：根據(jù)網架提供的支座反力，取RZ 為正最大值（即向上的拉力最大值）；同時取消梁上的墻體荷載（此時梁上墻荷屬于有利荷載）。此模型用于：計算柱在拉力工況下的配筋；計算在拉力工況下的柱底內力［2］。

4 結構布置

結構布置的原則同一般建筑結構一樣，基本要求如下：

（1）結構布置宜規(guī)則、對稱，受力明確，傳力合理、途徑不間斷，并應具有良好的整體性，不應采用嚴重不規(guī)則的結構布置。

（2）盡可能設置多道抗震防線。當建筑允許設計剪力墻時，宜設計剪力墻，將下部結構設計成框架剪力墻結構體系。

5 控制指標

鋼筋混凝土結構指標控制：

（1）控制結構的質量比、剛度比、層間受剪承載力、剪重比、位移角。

（2）因此類結構為空曠、開口結構，不具有明顯的“層”概念，所以對于位移比、周期比的計算結果僅作為參考，且盡量滿足規(guī)范要求。

（3）應控制軸壓比、配筋率、配箍率、剪壓比等各項指標滿足規(guī)范要求。

6 考慮溫度作用

對于體育場館等類型的建筑往往為超長結構，溫度作用效應不可忽視，應采用措施減少溫度應力對結構的影響，可通過設置適宜的后澆帶、加大梁板通長筋的配筋率、采用低水化熱的普通硅酸鹽水泥和級配良好的碎石骨料配制混凝土、低溫合攏、加強混凝土養(yǎng)護、采用高效減水劑降低水泥用量、配置適當?shù)臉嬙熹摻畹却胧┒伎梢杂行У販p小施工階段溫度應力以及混凝土收縮的影響。

7 結束語

總而言之，體育館類建筑為空曠、開口結構，體型復雜，應注重概念設計，且在設計的過程中應不斷總結經驗，積累經驗，使此類結構的設計合理、安全、經濟、適用。本文根據(jù)體育場館結構的設計經驗，介紹體育場館類結構的設計過程和方法，為此類結構設計提供一些建議和參考。