某體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工分析

劉天龍（同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于具有外觀造型優(yōu)美、受力良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火車站、飛機(jī)場、展覽廳、博物館和體育館等大型大跨、中跨公共建筑中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和建造工藝也反映了一個(gè)國家的建筑科技發(fā)展水平[1]。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無須密集的柱網(wǎng)，可以為人類大型活動提供了充裕的空間，滿足大空間的使用功能和使用需求；其次，鋼網(wǎng)架屬于空間鏤空結(jié)構(gòu)，是由許多桿件結(jié)構(gòu)按照幾何圖形規(guī)律連接的空間結(jié)構(gòu)，其自重遠(yuǎn)小于同等屋面面積的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此，對下部框架和地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而言更為有利[2-3]。盡管如此，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其受力分析和變形計(jì)算十分復(fù)雜，在建筑設(shè)計(jì)理念不斷發(fā)展的背景下，確保大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全性、施工便捷性成為目前鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要研究方向[4]。

基于此，以山東省濟(jì)南市某高校體育館為研究對象，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對不同荷載組合工況下的受力和變形進(jìn)行計(jì)算，并提出屋面大跨度鋼結(jié)構(gòu)分條分塊吊裝施工工藝，采取全過程現(xiàn)場監(jiān)測的手段對鋼網(wǎng)架施工進(jìn)行控制，分析鋼網(wǎng)架的變形特征，研究成果可為大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

山東省濟(jì)南市某高校體育館為該校年度重點(diǎn)工程，項(xiàng)目定位為多功能綜合體育館，內(nèi)設(shè)網(wǎng)球場、籃球場、游泳中心等，主要為學(xué)校體育教學(xué)和培訓(xùn)服務(wù)。體育館建筑總高度為20m，設(shè)地上3層，無地下室，總建筑面積為4536m2，可以滿足一般體育賽事要求，也可為學(xué)校慶典、展覽和大型會議演出提供活動空間。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，屬于乙類建筑。建筑平面大致呈矩形，東西軸長度為36m，該方向柱間距為6m；南北軸長度為42m，該方向兩端柱間距為6m，其余中間柱間距為9m。建筑基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)，地基承載力特征值不低于300kPa。支撐柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支撐柱的尺寸為500mm×600mm，高度為14.5m；墻體為磚砌結(jié)構(gòu)，屋面為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為正放四角錐網(wǎng)架，鋼材質(zhì)為Q235B，長寬比小于1.5，覆蓋總面積約為1730m2，網(wǎng)架鋼管采用高頻焊接鋼管，網(wǎng)架采用下弦節(jié)點(diǎn)支承，節(jié)點(diǎn)形式采用螺栓球節(jié)點(diǎn)，支座節(jié)點(diǎn)采用國內(nèi)平板壓力支座，網(wǎng)格尺寸為3m×3m，體育館大廳處為單層鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架高度為2.5m，體育館入口處為雙層鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架高度為5m，結(jié)合建筑屋面排水，采用結(jié)構(gòu)找坡。擬建場地抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別為II類。體育館屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 體育館屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 體育館屋頂大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了有效模擬屋頂鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在各種工況條件的受力和變形，按照《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工規(guī)程》對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施加12 種荷載組合，如表1 所示。表中的G 表示恒荷載，按建筑結(jié)構(gòu)自重取值，鋼材容重為78.5kN/m3；H表示活荷載，按0.5kN/m2取值；W1為體育館大廳位置單層鋼網(wǎng)架風(fēng)荷載，按吸力考慮；W2為體育館入口位置雙層鋼網(wǎng)架風(fēng)荷載，均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，可得到W1=-0.636kN/m2、W2=0.530kN/m2。運(yùn)用有限元軟件MSTCAD建立整體三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)局部如圖2所示。隨后，對鋼網(wǎng)架分別施加各荷載組合，對結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行計(jì)算，施加荷載時(shí)恒荷載和活荷載在整體上采用均布加載方式，風(fēng)荷載則按不同區(qū)域加載正負(fù)荷載[5]。

表1 體育館屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載組合

圖2 體育館屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)局部

受限于篇幅限制，圖3列出了最不利工況荷載組合作用下（工況10）的鋼網(wǎng)架受力和變形分布云圖，其余工況荷載作用的鋼網(wǎng)架受力和變形計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析如表2 所示，表中負(fù)值表示桿件壓力，正值表示桿件拉力。從表2中可以看出，最不利荷載組合為1.0恒荷載+1.4 活荷載+0.8 雙層鋼網(wǎng)架風(fēng)荷載，鋼網(wǎng)架最大變形為77mm，主要位于體育館鋼網(wǎng)架中部，鋼網(wǎng)變形值向四周方向逐步減小，最大支座反力為1062kN，主要位于體育館入口雙層鋼網(wǎng)架角點(diǎn)柱位置，最大桿件壓力為1590kN，最大桿件拉力為340kN，整體處于可控狀態(tài)。

表2 不同荷載組合作用下體育館屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算結(jié)果

圖3 最不利工況荷載組合作用下的鋼網(wǎng)架受力和變形分布云圖

3 體育館屋頂大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的分條分塊吊裝施工

目前，大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工工藝眾多，有分節(jié)段拼裝法、整體提升法、高空散裝法、滑移法等，綜合考慮場地條件、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的重量和跨度，同時(shí)也為了減少鋼結(jié)構(gòu)的高空作業(yè)，利于高空作業(yè)安全控制，確定體育館屋頂大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工工藝為“屋面原位拼裝、分條分塊吊裝拼接、全過程健康監(jiān)測”，將屋頂鋼網(wǎng)架大跨度鋼網(wǎng)架分為5個(gè)分區(qū)，體育館入口處雙層鋼網(wǎng)架為單獨(dú)吊裝提升，其余體育館內(nèi)部單層鋼網(wǎng)架劃分為均勻的4 個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)均2 次累計(jì)提升，單獨(dú)提升作業(yè)[6-7]。屋頂大跨度鋼網(wǎng)架其主要的施工工藝流程如圖4所示。

圖4 體育館屋頂大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分條分塊吊裝拼接施工工藝

在屋頂鋼網(wǎng)架提升過程中，為了保證屋面鋼網(wǎng)架的平穩(wěn)和受力合理，在吊裝前進(jìn)行數(shù)字化可視化模擬，確保施工方案具有合理性、可行性和安全性，結(jié)構(gòu)能夠整體成型、精確安裝。為了使鋼屋頂在提升過程中受力盡可能接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，設(shè)計(jì)了2種不同類型的提升支架平臺，分別為鋼柱式提升支架和三角支座式提升支架，如圖5所示。

圖5 兩種不同類型的體育館屋頂大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升支架

鋼柱式提升支架為直徑609mm 的鋼柱頂部設(shè)置2個(gè)提升油缸和提升梁，鋼柱材料為Q235B，提升梁為HN700mm×300mm×13mm×24mm，鋼材為Q355B；三角支座式提升支架由3根直徑為306mm的鋼管組成等邊三角形支腿，頂部設(shè)置1 個(gè)提升油缸和3 根提升梁，提升梁為雙拼HW580mm×300mm×12mm×20mm。提升支架的設(shè)計(jì)和制作大大提高了鋼網(wǎng)架的施工安全性，有效保障了施工順利完成。

為了有效控制施工階段大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，采取全程健康監(jiān)測的方式，在施工前對鋼網(wǎng)架的主受力點(diǎn)（支座周邊主受力桿件）及撓度最大點(diǎn)（跨中桿件）安裝應(yīng)變計(jì)[8-9]，以監(jiān)測提升卸載全過程桿件的位移變形情況。圖6為現(xiàn)場實(shí)測的跨中桿件撓度時(shí)程曲線。從圖6 中可以看出，隨著安裝進(jìn)度的發(fā)展，跨中桿件撓度呈現(xiàn)非線性增加并趨于收斂的變化趨勢，桿件的位移在24h之后趨于穩(wěn)定，收斂值為21.5mm，整體處于可控狀態(tài)。

圖6 大跨度鋼網(wǎng)架跨中桿件撓度時(shí)程曲線

4 結(jié)語

以山東省濟(jì)南市某高校體育館為研究對象，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對不同荷載組合工況下的受力和變形進(jìn)行計(jì)算，并提出相應(yīng)的施工技術(shù)控制措施，采取全過程現(xiàn)場監(jiān)測的手段對鋼網(wǎng)架的施工進(jìn)行控制，得到以下結(jié)論:

（1）數(shù)值計(jì)算表明，最不利荷載組合為1.0恒荷載+1.4 活荷載+0.8 雙層鋼網(wǎng)架風(fēng)荷載，鋼網(wǎng)架最大變形為77mm，最大支座反力為1062kN，最大桿件壓力為1590kN，最大桿件拉力為340kN。

（2）提出“屋面原位拼裝、分條分塊吊裝拼接、全過程健康監(jiān)測”的施工方案，并設(shè)計(jì)和制作了鋼柱式提升支架和三角支座式提升支架，大大提高了施工安全性。

（3）位移監(jiān)測表明，隨著安裝進(jìn)度的發(fā)展，跨中桿件撓度呈現(xiàn)非線性增加并趨于收斂的變化趨勢，桿件的位移在24h之后趨于穩(wěn)定，收斂值為21.5mm，整體處于可控狀態(tài)。