某健身中心鋼屋蓋結(jié)構的設計與分析①

馬 清

(同濟大學建筑工程系，上海 200092)

1 工程概況

體育館屋蓋主體呈現(xiàn)橢圓形態(tài)，以縱向中軸線左右對稱.屋蓋投影的縱向最大長度為130.7m，橫向最大寬度為106.1m，屋面的最高標高為31.4m.四周立面幕墻下包至10.8m的大平臺上，比賽館最大跨度77m，采用張弦梁結(jié)構.立面由斜鋼柱提供豎向支撐，兼做外幕墻的主結(jié)構框架.尾部以飄帶形式延伸至商業(yè)中心.結(jié)構體系為:下部鋼筋混凝土框架+上部鋼結(jié)構屋蓋+立面傾斜鋼柱，效果圖見圖1.

2 體育館鋼屋蓋結(jié)構布置和選型

2.1 體育館結(jié)構選型

該體育館最大跨度為77.7m，且中間跨拱起的矢跨比f/L約為1/23，遠小于常用網(wǎng)殼結(jié)構的最小矢跨比1/10，故網(wǎng)殼結(jié)構不適用于此工程.最終采用張弦梁結(jié)構體系時，為了釋放上部結(jié)構的溫度應力和減小上部結(jié)構對下部混凝土結(jié)構的支座推力，采用部分兩端滑動，部分一端滑動、一端鉸接的支座形式.

2.2 體育館結(jié)構比選

該體育館屋蓋部分分為主體育館比賽館和訓練館.在常見的空間結(jié)構中，單層殼體結(jié)構造型輕盈美觀，視覺效果良好，但由于本工程跨度較大(最大跨度為77.7m)，殼體結(jié)構的正常使用性能受到限制;桁架結(jié)構造型多變，傳力合理，且適用跨度較大，適用于本工程;張弦結(jié)構使各種不同受力性態(tài)的結(jié)構體系協(xié)同工作、剛?cè)岵?，從而最大程度的發(fā)揮材料的潛力、結(jié)構受力合理、建筑造型新穎，尤其在大跨度結(jié)構中應用廣泛，同樣適用于本工程.接下來就桁架結(jié)構和張弦結(jié)構的五種方案比較優(yōu)劣，以確定最合理的結(jié)構方案.

表1 方案比選

經(jīng)上輪比選，方案B3正交張弦梁(單索)優(yōu)點明確，缺點幾乎忽略，故暫定為方案B3.

2.3 體育館結(jié)構布置及優(yōu)化

該體育館屋蓋分為比賽館和訓練館屋蓋兩部分，見下圖.

圖1 健身中心效果圖

圖2 三維模型

2.3.1 比賽館中央屋蓋

采用張弦梁結(jié)構，中間最大跨度為77.7m.初始方案為全跨張弦梁，主梁采用矩形管600×300×16×25，下方布置兩個豎向撐桿和一個V型撐桿，次梁為正交.立面如圖3所示.改進方案為:張弦梁拉索內(nèi)收8～9m，撐桿改為3或者4根豎桿，最大高度3.5m.沿縱向設置弧形次梁.改進方案在反拱和撓度同時滿足要求的情況下，索拉力明顯減小，并且可以大大減小跨中撓度，增加凈空，視覺效果更加簡潔明了.適當增強了支座處張弦梁的截面，更好地抵抗了弧形張弦梁因拱效應而產(chǎn)生的支座推力，并且造型柔和，更加優(yōu)美.經(jīng)對比可知，撐桿為3或4對結(jié)構整體性能影響不大，故選用造型更加簡潔的撐桿為3.

圖3 張弦梁原始方案

圖4 張弦梁改進方案1

圖5 張弦梁改進方案2

2.3.2 訓練館屋蓋

體育館尾部為訓練館屋面，它傾斜度較大，中間沿縱向采用四榀張弦梁，每榀張弦梁中間布一道4m撐桿，兩側(cè)采用單梁，橫向設置次梁提供平面外支撐.由于訓練館屋面傾斜度較大，短跨最大長度為26m，采用張弦梁可以很好地滿足要求.配合整體屋蓋的效果，形式優(yōu)美.

3 結(jié)構關鍵問題分析

3.1 靜力分析

通過提取結(jié)構在典型荷載組合:1.35D+0.98L下的桿件軸力、彎矩，得到以下結(jié)論.

(1)在豎向荷載作用下，比賽館屋蓋以張弦梁受力為主.弧形張弦梁發(fā)揮了較大的拱作用，整體受壓.在支座處，適當加強張弦梁截面，使得支座處的梁截面能更好的抵抗主梁的拱效應引起的支座推力.張弦梁兩端的加強梁發(fā)揮了桁架的作用，上端梁受拉，下端梁受壓.

(2)訓練館屋蓋張弦梁的拱作用比較明顯，整體受壓，在撐桿處出現(xiàn)反彎.

(3)次梁在與縱向兩端與邊梁連接處，彎矩較大.

(4)立面鋼梁梁作用比較明顯，彎矩較大，立面鋼柱整體受壓.

3.2 伸縮縫處理

由于整個結(jié)構平面超長，下部混凝土結(jié)構在通廊部分，通過設縫將體育館和商業(yè)裙房分開為兩個單體.屋蓋鋼結(jié)構通過在牛腿上設置滑動支座，也分為兩個屋蓋，分縫位置示意如下圖.該縫兼具伸縮縫和抗震縫的功能.

圖6 伸縮縫位置

上圖表示飄帶與商業(yè)區(qū)屋蓋的分縫位置，飄帶梁通過4個雙向滑動的抗震球形鋼支座連接與商業(yè)區(qū)的鋼管柱頂牛腿上.為考察該縫在大震作用下的滑程是否滿足要求，對滑動支座的滑程量進行大震作用下的反應譜分析如下:體育館屋蓋溫度縫兩側(cè)滑動支座相對滑移(1.0G+1.0EQ3)(反應譜分析)

注:G表示重力荷載代表值，EG3D表示雙向大震作用.

上表說明，柱頂偏移量X向最大為39mm，Y向最大為43mm，雙向滑移的矢量和最大為45mm，小于抗震球形鋼支座的滑程限值70mm，即支座滑移量滿足要求.

圖7 未安裝次梁時結(jié)構受力圖

圖8 安裝次梁后結(jié)構受力圖

3.3 施工模擬

假定以下主要施工順序:

第一步:在主梁下設置至少三個塔架支撐，并通過纜風繩等措施保障主梁的側(cè)向穩(wěn)定性.考察變形和應力比，均可以滿足.

由上圖可知，ZLb，ZLc，PDZ1，PDZ2 受力較大，列表如下，其余構件受力很小.

第二步:在主梁下設置至少三個塔架支撐，同時安裝次梁保障主梁的側(cè)向穩(wěn)定性.考察變形和應力比，均可以滿足.

第三步:開始張拉拉索.使主梁脫離塔架，結(jié)構自身成立.

施工時注意事項:

①吊裝主梁時應通過合理措施保障主梁的側(cè)向穩(wěn)定性

②高空焊接應有有效措施保障焊接質(zhì)量

③拉索張拉應由具有資質(zhì)的專業(yè)張拉公司進行，先完成施工張拉模擬計算，提交設計院審核，再完成施工張拉方案，組織專家評審通過后，方可進行施工張拉.

④張拉過程中應有完備的變形和索力監(jiān)測

⑤業(yè)主應組織獨立第三方進行焊接質(zhì)量監(jiān)測，作為竣工驗收的一部分.

圖9 荷載位移曲線

圖10 中央屋蓋塑性發(fā)展圖

3.4 結(jié)構彈塑性分析

1)結(jié)構彈塑性極限承載力

在ANSYS中，同時考慮結(jié)構幾何非線性和材料非線性，采用經(jīng)典的雙線性隨動強化模型，假定材料為理想彈塑性材料，符合von Mises屈服準則，屈服應力為345N/mm2，得到結(jié)構的荷載位移曲線如下:

上圖表明臨界荷載因子為3.66，結(jié)構最終是由于桿件較多進入塑性而無法繼續(xù)承載，為強度破壞.故強度破壞之前結(jié)構并未發(fā)生整體失穩(wěn)，表明極限承載能力較強，結(jié)構整體穩(wěn)定性較好.

2)塑性發(fā)展機制

跟蹤結(jié)構的塑性發(fā)展機制，如下表，結(jié)構達到極限承載力時的應力分布如下圖:

4 結(jié)語

(1)本文重點介紹了某體育館主館的鋼屋蓋結(jié)構設計及方案比選，對結(jié)構關鍵問題進行了分析.結(jié)構結(jié)構布置合理，傳力途徑明確，受力合理.

(2)張弦梁采用改進方案，減小了張弦跨度，根部主梁適當加強，造型更加簡潔明了、美觀.

(3)由于跨度過長，溫度應力影響很大，本結(jié)構通過在牛腿上設置滑動支座將鋼屋蓋分為兩個單體，該縫兼具伸縮縫和抗震縫的功能.

(4)本結(jié)構為張弦梁結(jié)構，施工順序很關鍵，通過施工模擬，初步確定施工過程中，結(jié)構安全.

(5)經(jīng)過優(yōu)化設計，該體育館主館的鋼屋蓋用鋼量為53kg/m2，總體的用鋼量為58kg/m2.

[1]羅永鋒，韓慶華，李海旺.建筑鋼結(jié)構穩(wěn)定理論與應用[M].北京:人民交通出版社，2009.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ 61—2003J 258—2003網(wǎng)殼結(jié)構技術規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]沈祖賢，陳揚驥.網(wǎng)架與網(wǎng)殼[M].上海:同濟大學出版社，1997.