某校體育館折型屋蓋的結構設計

凌 勁

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 540640）

1 工程概況

隨著全民健身的興起，各類體育場館如雨后春筍般出現，充分開挖了設計師們的想象力。本文所涉體育館集籃球、羽毛球、排球等活動于一體的多功能場館。整個體育館由屋蓋鋼結構和底部兩層為鋼筋混凝土結構組成。其中，屋蓋樣式是高低不等的連續波浪折線型，通過內退懸挑等技術手法，營造出空中樓閣的靜謐和通透感。

該屋蓋水平投影面積為48m×49m，柱間距縱向9m，橫向42.8m。東西北面從柱子處水平投影均懸挑出去2.9m。折型屋蓋的最小波峰為3.59m，最大波峰為5.56m。體育館效果圖如圖1所示。

圖1 體育館效果圖

2 屋蓋結構選型

屋蓋支撐在下部混凝土柱上，按最大跨度42.8m設計布置，首選平面桁架作為受力體系。

初步屋蓋結構布置考慮折線形式加上波峰的高度，當加以利用將提升整個室內空間感。將受力桁架放入波峰處，但底層建筑空間的功能性，限制了波峰處無法設置支撐柱子。此空間優勢在本工程無法得到利用。只能將受力桁架放入低處。

本工程折型造型，考慮其類拱效應，屋蓋布置如圖2所示，整個體系平面桁架作為受力體系且加上隨形態走勢的穩定桁架，檁條東西向布置。

圖2 屋蓋結構布置圖（一）

圖2布置形式看上去很貼近屋蓋造型，但受力路徑不夠清晰，且折線型桁架布置過密。同時南北側的懸挑過多，局部薄弱趨勢明顯。南側桁架布置，由于下部支撐柱子緣由，顯得結構布置不合理。

基于以上分析，進行協調與改造。將南側改成懸挑桁架來進行承載，北側的柱子在底部建筑允許的范圍內盡可能的調整到邊緣處。減小穩定桁架的數量，由于主要是為了穩定平面桁架的平面外穩定，因此把折線形式直接拉平與低處的受力桁架同標高。平面桁架作為受力體系，設計檁條首傳力至其上，且隨著折型屋蓋走勢變化，讓檁條在其內部考慮類拱效應。考慮空間以及經濟性，將受力桁架調整成變截面形式。最終確定如圖3的布置形式。

圖3 屋蓋結構布置圖（二）

3 設計標準及荷載

屋蓋結構設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，結構重要性系數為1.0。構件的應力比控制在0.9以下。長細比、變形等其他設計要求依據鋼結構規范等進行［1］。

由于地域關系，本工程的荷載作用主要考慮恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用和溫度作用。恒荷載屋蓋系統及檁條等為1.0kN/m2。活荷載取0.5kN/m2。溫度作用升降30oC考慮。其余的荷載作用依據抗震規范、荷載規范以及地勘報告等進行取值［2-3］。荷載間的組合系數情況（注：該工程設計時使用規范為舊版規范），如表1所示。

表1 荷載工況組合系數

4 結構計算分析

本工程鋼結構屋蓋部分采用軟件3D3S進行計算分析。為減弱鋼結構屋蓋對下部混凝土結構的影響，以鉸接的形式與下端的混凝土進行連接。

4.1 分析模擬方法

為更大程度的實現屋蓋桁架的安全可靠設計，本工程考慮過兩種方法。

第一種分析方法：將屋蓋當成獨立單體進行分析，與下端的連接方式設計成支座，如圖4所示。此種方法將受力桁架剖分成一榀榀類似簡直梁，一端鉸接，另一端釋放沿桁架方向的位移。整體忽略側向位移的影響。

圖4 屋蓋結構分析圖（一）

以上假定其實與屋蓋的實際支撐情況有出入，但考慮整體側向剛度對桁架受力分析影響并不是特別突出，且屋蓋在這種約束下沒有了桿件間以及下面更多的協調變形釋放，在桿件設計方面其實是偏于保守安全的。再加上操作的方便快捷，因此該方法具有一定的可取性。

第二種分析方法：采用變形協調方式，將屋蓋與下部混凝土作為一個整體進行分析，如圖5所示。

圖5 屋蓋結構分析圖（二）

此種模擬方法貼近實際情況。屋蓋桁架變形帶來的內力影響通過下部混凝土的協調變形進行緩沖抵消，整體屋蓋的結構設計更顯得優化性。因此本工程基于此方法進行了屋蓋結構的計算分析。

4.2 結構分析結果

本工程根據經濟安全施工方便等原則，主要受力桁架的截面選擇了方形管，腹桿采用了矩形管，最大截面250×250×16，最小截面100×250×6。雖然傳統的圓管在各方向上的抗彎抗扭性更優，但實際施工當中相貫焊接是無法做到中心對接中心，形成偏心誤差，因此選擇矩形管能避免該問題，且在平面受力體系上矩形管能滿足剛度和穩定要求。由于屋蓋波浪折型走勢，使得檁條水平跨度較大，桁架間的每條檁條構成獨立的類拱受力體系，本工程采用H鋼，截面H248×124×5×8和H244×175×7×11。

對整體結構進行模態分析，前四振型如圖6所示。從周期來看，整個體育館的結構剛度較好。

圖6 屋蓋結構前四振型圖

屋蓋結構中的桿件驗算，主要考慮強度、變形和穩定性的因素影響，依據鋼結構規范進行復核。該體育館的應力云圖如圖6所示。應力比均控制在0.9以下，最大應力比0.8，能夠滿足安全設計要求。

圖7 屋蓋結構應力云圖

屋蓋結構設計分析中除了剛度強度等因素，還需考慮整體變形。根據鋼規，在永久和可變荷載標準值情況下產生的撓度值不允許超過跨度1/400，該體育館的跨度42.8m，即本工程最大變形值為107mm。模擬分析中，屋蓋最大變形值為105mm，接近限值。為了改善屋蓋外觀和使用條件，一般將受力構件進行預起拱處理。起拱數值根據實際需要而定，一般為恒載標準值加1/2活載標準值所產生的撓度值。本工程根據不同位置處受力桁架變形情況，進行50mm 到70mm大小的預先起拱處理。

5 結語

建筑形態的發展也促使了結構設計的進步，同時建筑的功能空間一定程度上也制約了結構布置的施展。在結構設計中需要結合建筑造型且考慮結構的安全經濟以及施工的方便性。

本文折型屋蓋的設計通過方案布置的對比，模擬方式的實現以及強度、剛度變形等角度出發，基本滿足以上要求。