某體育館結(jié)構(gòu)性能分析研究

史軍鵬

(山西國建工程設(shè)計(jì)有限公司，山西太原 030013)

1 工程概況

該體育館屋蓋采用兩個不同半徑球面雙層正交正放的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，組合投影為橢圓形，平面投影長軸93 m，短軸88.8 m，厚4.0 m，懸挑部分端部厚2.0 m，屋蓋通過下弦節(jié)點(diǎn)支承于下部鋼管混凝土柱和柱頭環(huán)梁上。體育館鳥瞰照片如圖1所示。結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

體育館的抗震設(shè)防類別為一類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別三類，場地特征周期Tg=0.45 s。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型力學(xué)性能對比分析

由于軟件的限制，目前多將結(jié)構(gòu)上、下部分分開建模簡化分析計(jì)算，上部網(wǎng)殼單獨(dú)設(shè)計(jì)，但分別建模的簡化方法可能造成網(wǎng)殼或下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不安全，本文針對上下部結(jié)構(gòu)整體建模和上部屋蓋單獨(dú)建模兩種模型進(jìn)行對比分析。

模型一:上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，采用鉸接桿系計(jì)算模型，支座下部連接方式為固定鉸，應(yīng)用3D3S軟件建模，SAP2000軟件分析計(jì)算(見圖3)。

模型二:上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)共同工作的整體模型，網(wǎng)殼下弦節(jié)點(diǎn)與下部混凝土柱鉸接連接，應(yīng)用SAP2000軟件進(jìn)行計(jì)算分析，以此計(jì)入下部結(jié)構(gòu)對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響(見圖4)。

1)模態(tài)分析。

結(jié)構(gòu)前9階模態(tài)周期對比如表1所示。

表1 前9階模態(tài)周期對比 s

兩種模型自振周期比較見圖5。

SAP2000兩種模型前4階振型對比見圖6。

通過以上分析結(jié)果可得出以下結(jié)論:

a.兩者周期變化基本一致，用3D3S軟件和SAP2000軟件進(jìn)行計(jì)算的模型一兩個結(jié)果基本吻合，但是模型二周期均比模型一大，第一周期增大8.65%，第二周期增大27.7%，可見加上下部混凝土結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)整體剛度有所減弱;b.從兩種模型前4階振型圖對比看出，兩種模型屋蓋部分振動形式基本一致。

2)地震作用分析。

按規(guī)范規(guī)定選取反應(yīng)譜曲線用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，采用CQC方法進(jìn)行組合。根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算中地震影響系數(shù)最大值amax=0.08，場地特征周期 Tg=0.45 s，可得到水平地震影響系數(shù)曲線。地震工況下網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大位移、桿件最大應(yīng)力比、最大支座反力對比見表2～表4。

表2 地震工況下網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大位移對比表 mm

表3 地震工況下網(wǎng)殼桿件最大應(yīng)力比對比表

表4 地震工況下最大支座反力對比表 kN

通過以上分析結(jié)果可得出以下結(jié)論:

a.在考慮下部支承結(jié)構(gòu)共同工作后，地震工況下網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大豎直位移為模型一的1.63倍，最大水平位移為模型一的2.16倍;b.在考慮下部支承結(jié)構(gòu)共同工作后，網(wǎng)殼上弦桿應(yīng)力值增大49%，腹桿應(yīng)力增大33%，下弦桿應(yīng)力增大34%;c.在考慮下部支承結(jié)構(gòu)共同工作后，網(wǎng)殼支座水平反力增大34%，豎直反力增大15%;d.由以上結(jié)論可知:下部結(jié)構(gòu)的存在使網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)支承剛度減弱，與模型一的支承剛度差別較大，從而使結(jié)構(gòu)位移有所增大、桿件內(nèi)力增大、支座動反力增大，所以設(shè)計(jì)時應(yīng)以考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作為主。

3)靜力分析。

對網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大位移、網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大支座反力、網(wǎng)殼桿件的最大內(nèi)力三類最重要的靜力響應(yīng)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表5～表7。

表5 網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大位移對比表 mm

表6 網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大支座反力對比表 kN

表7 網(wǎng)殼桿件內(nèi)力最大值對比表 kN

通過以上分析結(jié)果可得出以下結(jié)論，見表8。

表8 靜力分析結(jié)果

a.在不同荷載組合工況下，網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大豎向及水平位移出現(xiàn)在不同位置，兩個計(jì)算模型在同一荷載組合工況下，最大位移出現(xiàn)的位置也不一致;b.在考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作后，網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)最大水平位移和豎向位移都有所增大。在荷載組合“恒+活、恒+活+正(負(fù))風(fēng)、恒+活+正溫”工況下，最大水平位移模型二約為模型一的3倍，最大豎向位移模型二約為模型一的1.6倍;在荷載組合“恒+活+負(fù)溫”工況下，最大水平位移和豎向位移增幅都較小;c.在考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作后，水平向總反力值基本不變，約為0 kN，豎向總反力值不變。但具體到單個支座而言，水平向反力和豎向反力的最大值均增大。在荷載組合“恒+活、恒+活+正(負(fù))風(fēng)”工況下，豎向反力最大值增值約為14%;在荷載組合“恒+活+正溫”工況下，增幅很小;在荷載組合“恒+活+負(fù)溫”工況下，增幅40%;d.在考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作后，桿件內(nèi)力增幅約為18%;e.由以上分析結(jié)果可知，考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作后，屋蓋結(jié)構(gòu)是偏于不安全的，所以在條件允許的情況下應(yīng)進(jìn)行整體分析。

3 結(jié)語

本文對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體模型和單獨(dú)上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兩種模型進(jìn)行了對比分析，可以得出以下結(jié)論:1)從模態(tài)分析，采用整體結(jié)構(gòu)的模型與單獨(dú)采用上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的模型相比，第一周期增大8.65%，第二周期增大27.7%，說明采用整體結(jié)構(gòu)的模型支承剛度減弱，與模型一的支承剛度差別較大;2)從網(wǎng)殼力學(xué)性能分析，由于下部結(jié)構(gòu)的存在使網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)支承剛度減弱，從而使結(jié)構(gòu)位移有所增大、桿件內(nèi)力增大、支座動反力增大，所以考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作后，屋蓋結(jié)構(gòu)是偏于不安全的，所以在條件允許的情況下應(yīng)進(jìn)行整體分析。

［1］張國軍，張慶亮，葛家琪.2008奧運(yùn)會羽毛球館上下部結(jié)構(gòu)共同工作分析研究［A］.第八屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會［C］.2008.

［2］張建林.長治體育館網(wǎng)殼設(shè)計(jì)及靜力性能分析［J］.山西建筑，2012，38(22):56-57.

［3］［美］法扎德·奈姆.抗震設(shè)計(jì)手冊［M］.王亞勇，譯.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］GB 5009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［5］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.