天長市全民健身中心體育場結構設計分析

劉毛方，孟磊 （安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

天長市全民健身中心項目包含體育場、體育健身綜合館、配套商業以及室外市民健身運動場地。其中體育場總建筑面積21121m2（不含觀眾大臺階），共12266座觀眾座椅，地上局部三層，鋼結構屋蓋完成面最高點32.945m。其中混凝土功能用房部分最高點位于西側看臺上方的局部三層機房區域，其最高點頂板標高18.605m。建筑效果圖見圖1。

圖1 天長市全民健身中心體育場

體育場主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，上部罩棚采用鋼桁架結構體系，屋面采用金屬屋面。鋼結構罩棚外觀呈幾何拼接狀，外形來源于天長的市花“茉莉花”。平面呈橢圓形，南北向長約243m，東西向寬約22m，徑向桁架懸挑最大長度約為28m，屋蓋結構最高點約為31.8m。上部鋼結構和下部混凝土結構通過內圈和外圈支柱連接。該部位框柱采用型鋼柱。支座采用抗震球鉸支座，為保證建筑整體美觀性，鋼結構罩棚和下部混凝土結構均不設變形縫。

2 結構計算分析

2.1 結構選型

體育場下部混凝土結構采用框架結構，室外大臺階和看臺的框柱為方柱，其他均為圓柱，截面類型為600X600、800X800、Φ800、Φ1200、Φ1500。由于結構超長，為避免扭轉，沿結構環向均勻設置了一些柱間支撐，此部分支撐與相連的框架柱采用抗震性能化設計。

體育場鋼結構屋蓋主要由徑向桁架、環向立體桁架、中部片桁架、環向立體三角錐桁架、墻面單層鋼架以及水平支撐組成[1]，上部鋼結構通過內圈和外圈支座支撐到下部混凝土柱上?？紤]到屋蓋鋼結構實現的經濟性，并最大限度滿足建筑專業造型要求，經過方案比較，上部結構的主要受力體系：內外圈支座支撐的徑向懸挑主桁架作為主要受力結構，徑向片桁架間距約在5m～6.5m，主桁架與懸挑根部的環向立體桁架形成封閉的受力體系。考慮到建筑造型以及屋蓋面外剛度，在徑向主桁架間設置多道次桁架，一道環向片桁架、懸挑端部的封邊三角錐立體桁架構成結構完整受力體系。為了提高屋蓋整體環向剛度和水平傳力路徑效率，分別在徑向設置了12道通長水平支撐和1道環向水平支撐。管桁架采用相貫節點，局部桿件相交較多處以及支座采用鑄鋼節點。

圖2 鋼結構屋面平面圖

圖3 鋼結構屋面三維視圖

2.2 荷載作用分析、取值及效應組合

2.2.1 重力荷載

混凝土部分樓面恒、活荷載和隔墻荷載按照建筑功能做法和《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）確定。鋼結構部分：金屬屋面+檁條：1.0kNm2，墻面：1.0kNm2。

2.2.2 風荷載分析及取值

下部混凝土部分風荷載按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）取值，由于屋頂罩棚為大懸挑輕鋼結構，屬于風荷載敏感結構，本文重點研究鋼結構部分的風荷載取值。基本風壓取0.40kN/m2（100年重現期），地面粗糙度：B類，風壓高度系數μz=1.416（最高點離地面31.801m）。由于罩棚體型的特殊性，現行《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）無現成可用的體型系數，為確保結構設計安全合理，在施工圖設計階段，特委托合肥工業大學科研團隊在湖南大學邊界層風洞實驗室進行了縮尺比1：250的剛性模型測壓實驗，鋼結構屋面及立面共布置了上下各220個測點，報告提供了一共24個風向角的測壓數據，根據報告結果[2]，經過對比分析最終選取了0度、90度、180度、270度四個風向角參與計算。根據測點的測壓數據線性插值得到了鋼結構一共3033個節點的風壓系數，在3d3s軟件里用文檔數據導入這些節點的風壓數據，即可參與整體風荷載計算。風振系數依據報告結果[3]且考慮工程實際取βz=1.8。

2.2.3 地震荷載及取值

依據《建筑抗震設計規范》，天長地區抗震設防烈度7度，記基本地震加速度值0.10g，設計地震分組：第二組?？拐鹪O防類別為丙類，但依據《安徽省防震減災條例》，本工程為人員密集類建筑應提高一檔抗震設防，故抗震計算按照7度0.15g取值。

2.2.4 溫度荷載分析及取值

根據《建筑結構荷載規范》，設計階段溫度荷載取值如下：上部鋼結構：+30℃（溫升）；-25℃（溫降）。下部混凝土結構：+26℃（溫升）；-20℃（溫降），混凝土收縮當量溫差取10℃，故混凝土降溫為-20-10=-30℃。慮混凝土徐變變形引起的構件應力松弛，應力松弛系數取0.3。

2.2.5 作用效應組合

在承載力極限狀態荷載效應設計中，選取了總計50種組合，基本涵蓋了結構在施工及使用階段的各種最不利情況。其中包括無地震組合34種，考慮地震作用組合10種，雙向及三向地震組合6種。在正常使用極限狀態荷載效應設計中，采用了5種荷載效應組合。另外，增加了中震復核工況組合各13種。

2.2.6 內力分析

下部混凝土結構采用YJK系列軟件建立空間結構模型，上部鋼結構采用3D3S軟件計算，整體模型組裝采用sap2000軟件進行復核。同時對于鋼結構部分補充了特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。

3 結構設計

3.1 基礎設計

依據本工程勘察報告，基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑為Φ800、Φ1200，支撐上部鋼桁架前端柱底為抗壓樁，后端柱底為抗壓兼抗拔樁?；A設計等級為甲級，工程施工前期已做非工程樁試樁，單樁承載力滿足設計要求。

3.2 主體結構設計

下部混凝土結構采用YJK軟件進行分析設計，支撐上部鋼桁架的框柱采用型鋼柱?？紤]結構的重要性和復雜性，對于局部構件采用性能化設計，其中支撐上部鋼結構框柱、單跨混凝土結構的框架柱按中震正截面受彎彈性、斜截面受剪彈性設計，除此之外其他混凝土豎向構件（不含純地下室柱，屋頂局部梁上柱）按中震正截面受彎不屈服，斜截面受剪不屈服設計，二層、看臺層支座環梁，柱間支撐跨框架梁，單跨框架梁按照中震正截面受彎不屈服，斜截面受剪不屈服設計。

由于下部混凝土結構超長，用sap2000軟件補充了樓板應力計算，首層及梯段板的應力云圖如圖4所示，由圖可以看出：首層樓板應力均小于1.0MPa。梯段板環向應力隨高度增大而降低，環向應力大部分小于1MPa，但在樓板折角位置有應力集中的現象，應力接近2MPa；梯段板徑向應力，過渡平緩，均在0.38MPa左右。此處樓板板厚為130，板配筋加強為10@150雙層雙向，以有效抵抗溫度應力，確?；炷晾瓚π∮谙拗?。結構最內圈及最外圈框架梁、柱配筋也比計算值加大15%左右配置，環梁上下均采用四根通長筋，加大抗扭鋼筋作為腰筋。同時施工期間采取了如嚴格控制后澆帶間距，采用低水化熱水泥，采取合理的施工工序及后澆帶封閉順序等，并要求施工單位編制詳細的混凝土施工方案，包括混凝土的配比、粉煤灰摻量、外加劑種類及用量、后澆帶的處理、施工組織及養護措施等，并經專門論證后方可施工。

圖4 梯段板的溫度應力

圖5 桿件應力比分布

上部鋼結構采用鋼管桁架結構，上下弦管連續，腹桿支管采用相貫節點，根據《鋼結構設計標準》條文，結構計算時按照支管和主管剛接、鉸接包絡設計。桿件截面在滿足受力及構造基礎上采用程序優選界面。鋼屋蓋構件在恒、活、風、溫度及小震最不利組合下大部分桿件應力水平低于0.8，大部分桁架弦桿應力受地震與溫度荷載組合控制。

鋼結構桿件滿足中震不屈服性能要求，在中震彈性復核結果下大部分桿件應力比均低于0.8，與恒、活、風荷載、溫度荷載及小震最不利組合相比，應力比水平略有增大。

對整體結構補充了特征值屈曲分析，考慮結構自重作用初始態下，附加恒載和活荷載組合工況下結構發生線性屈曲的荷載系數為17.89（第一階屈曲模態），利用歐拉公式反算桿件的計算長度，均小于規范規定的桿件計算長度。

考慮材料線性、幾何非線性，采取恒+活的加載模式，用SAP2000計算上部鋼結構的整體穩定性。幾何初始缺陷按線性屈曲分析中第一階屈曲模態分布，最大缺陷值取徑向桁架懸挑長度的L/400(L為徑向桁架懸挑長度)。

計算結果顯示（圖6），結構發生非線性屈曲時，豎向基底總反FZ=677966.13kN。靜力計算中在附加恒和活荷載標準值作用下，其豎向基底總反力FZ=76067.86kN，重下豎向基地反力FZ=30194.39kN，故結構穩定性極限承載力臨界系數K（677966.13-30194.39）/76067.86=8.87>5，滿足要求。

圖6 非線性屈曲分析荷載步—豎向基底總反力曲線（kN）

3.3 節點設計

主管和支管間采用相貫節點，在主次管較多相交地方，采取了如主管變徑，節點偏心調整等措施保證施工質量（詳圖7），但是由于結構體型復雜，最多節點處匯交了11根桿件。故對于這些受力復雜且桿件眾多的節點均采用了鑄鋼節點。鑒于規范[4]中未明確該類復雜節點的驗算方法，為確保結構安全，本文對這些節點建立三維模型，補充了應力分析[5]。各節點均選用四面體網格，單元類型C3D4（四結點線性四面體單元）。在各個支管的形心位置建立參考點，并建立與各截面的耦合約束。邊界根據實際工程情況，鑄鋼節點截面底部采用固定約束；其他管端作為剛性區域，在剛性區域的形心位置建立局部坐標系并施加集中荷載。支座節點有限元模型及應力分析見圖8。

圖7 復雜節點處主管變徑處理

圖8 支座節點有限元模型及應力云圖

由圖8可知，應力大的部位集中在桿端荷載較大的一側，應力大小在70MPa左右，另一側區域應力值有明顯的減小，應力大小在10MPa左右。節點的最大應力值為113MPa，出現在桿件（2、5）的匯交處。應力峰值沒有超過材料的屈服強度，節點所有區域的應力都在彈性范圍之內，節點大部分區域的應力都在100MPa以內，由此也可推斷節點所受荷載遠遠小于其承載力。節點設計安全可靠。

4 結論

①體型復雜的大懸挑罩棚結構屬于風敏感結構，其風荷載取值應由風洞實驗提供，以確保結構設計安全。

②對于超長的混凝土結構，應進行溫度應力計算，根據計算結構配置溫度鋼筋，同時施工期間應采取多種綜合措施確保結構使用期不開裂。

③對于大跨度鋼結構應補充屈曲穩定性分析。

④對于受力復雜的相貫節點，規范未給出明確的節點強度驗算公式，應補充應力分析，確保結構設計安全。