大跨度拱桁架支座應力分析

夏堯，高斌斌，李元，黃秀亮

（中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

伴隨著我國經濟建設的發展和日益多元化的文化形態的出現，以及國家全民健身計劃的落實，近幾年我國大力推進體育基礎設施的建設和完善，以此滿足各地區居民對體育健身、休閑娛樂等各方面日益增長的需求，從而為實現全民健康、健康中國提供最基本的支持。

2 工程概況

本工程為某縣級體育中心，建筑面積約3×104m2，固定座位數約1.5萬個，分為東、西2個結構單元，西側為體育場主看臺，東側為相關服務配套用房；體育場主看臺下部為混凝土框架結構，頂部鋼罩棚為大跨度拱桁架。鋼罩棚立體桁架結構的懸挑長度約為18 m，建筑最高點標高約50 m。

3 設計方案

本工程所在地區抗震設防烈度為7度[1]，設計基本地震加速度0.10g，因該建筑抗震設防類別為重點類，故地震作用計算采用7度0.15g，設計地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類，Tg=0.55 s，多遇地震下水平地震影響系數最大值為0.08。基本風壓（10 m高度，50年基準期）0.45 kN/m2[2]，地面粗糙度類別：B類。

根據建筑方案和實際情況的需要，頂部鋼罩棚主要分成3部分：（1）起裝飾作用的裝飾拱；（2）為主要受力結構的前拱桁架；（3）通過次桁架與前拱桁架連接的后拱桁架。結構各部分傳力明確，組成一個完整的受力體系。后拱桁架通過V形拉桿與下部混凝土柱相連，此混凝土柱為結構的主要抗側力構件，為本工程設計中的關鍵構件，設計時采用型鋼混凝土柱，計算應保證柱應力和柱頂變形滿足規范要求，并留有一定的安全儲備。而另一抗側力構件即為裝飾拱和前拱桁架的端部的混凝土拱腳支座，此拱腳支座需承受前拱桁架的傳遞水平推力和風荷載在吸力工況下產生的上拔力。

4 應力分析

本工程鋼罩棚荷載包括結構自重、活荷載、風荷載、地震作用、溫度荷載、吊掛荷載等。采用Midas Gen軟件進行整體結構計算，前拱桁架及后拱桁架的拱腳支座邊界條件采用鉸接計算，從整體模型中提取拱腳支座處反力，詳見表1。

表1 拱腳支座反力表

根據工程經驗，對于此類大跨度鋼結構，風荷載均為主要控制荷載之一，本工程計算時考慮雙向地震作用，經計算表明，地震作用在上部鋼罩棚計算中不屬于控制荷載。根據規范要求及工程的實際情況，本工程對上百種不同的工況組合進行了計算分析，現選取幾組典型的工況組合進行應力分析，具體工況組合詳見表2。

本工程拱腳支座的應力分析采用Midas Fea有限元軟件，拱腳支座采用實體模擬，有限元模型如圖1所示。拱腳支座底部約束情況按固接計算，上部鋼罩棚荷載以點荷載形式作用于支座處，拱腳支座應力計算結果見表3。

表2 設計工況組合

圖1 體育場結構模型

表3 拱腳應力計算結果MPa

根據表3計算結果可知，在工況2的荷載組合下，拱腳支座處應力計算結果最不利。通過應力圖2所示可知，拱腳支座壓應力值較大處出現在拱肋和拱腳結合處；按照本工程實際受力情況，拱腳支座受到的荷載并非對稱荷載，拱腳側面角點處主拉應力最大，最大值為2.67 MPa，主拉應力由角點向X、Y、Z3個方向逐漸減小，因此在進行基礎設計時，可根據此有限元分析結果，合理配置拱腳區域基礎配筋，以防止因拉應力過大導致拱腳支座基礎混凝土開裂。

圖2 拱腳支座有限元實體模型及工況2作用下拱腳支座應力圖

5 基礎設計

拱腳支座基礎設計時需考慮前拱桁架傳遞的水平推力，常見的處理方法[3，4]有：設置預應力索、打斜樁、設置巖石錨桿等。設置預應力索的方法一般情況下適用于落地拱桁架；本工程在設計階段的場地勘探深度，未見巖石層，因此基于本工程的實際情況和當地施工條件，這幾種常見的處理方法在使用中都有一定的局限性。結合建筑方案與實際地質條件綜合考慮，本工程拱腳支座采用混凝土擴展基礎方案，如圖3所示。通過利用拱腳支座處的建筑造型，將上部造型與底部基礎設計為一個整體，增加此處支座基礎的自重，通過基礎的自重、基礎底部摩擦力及基礎周圍的土壓力來平衡前拱桁架傳遞的水平推力，以達到控制拱腳支座處位移的目的。本工程拱腳支座處水平推力標準值為6 200 kN，拱腳支座基礎出地面造型部分的高度超過10 m，下部基礎埋置深度為-3.5 m，經計算，滿足設計要求。

6 結語

圖3 拱腳支座基礎示意圖

體育場上部的大跨度拱桁架鋼罩棚受風荷載作用明顯，受力形式復雜，本工程中受建筑造型限制，后拱桁架不落地，與型鋼混凝土柱鉸接連接，對整體結構的抗側力性能產生了一定的影響，故前拱桁架的拱腳支座為設計中的一個關鍵節點。本工程通過整體結構計算及有限元計算對拱腳支座節點的受力進行分析，有針對性地對拱腳支座基礎薄弱部位進行加強設計，保證節點的受力合理并提高結構的安全系數。