四川大英體育館鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析①

王松林， 張 崢，2

(1同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092;2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200092)

0 引言

隨著北京奧運(yùn)會(huì)、深圳大運(yùn)會(huì)的成功舉辦，我國(guó)近年來(lái)興起了一股體育建筑的建設(shè)熱潮.體育館建筑作為大跨度體育建筑的一種，其結(jié)構(gòu)體系布置與建筑造型直接相關(guān)，合理的結(jié)構(gòu)體系布置可以展現(xiàn)建筑的力與美，提高結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性.本文結(jié)合四川大英體育館的建筑特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹其屋蓋的結(jié)構(gòu)體系布置，并對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力特性、整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力驗(yàn)算.

1 工程概況

大英體育館項(xiàng)目位于四川省遂寧市大英縣，建筑占地面積約7500m2，總建筑面積14940m2，共設(shè)觀眾席4220座.體育館屋蓋主體為空間雙曲面，以東西方向的中軸線對(duì)稱.屋蓋水平投影為圓形，水平投影直徑113.8m，屋面最高標(biāo)高27.47m，側(cè)部墻面下包至5.10m大平臺(tái).體育館整體造型由富有光澤的折面組成，與大英的古鹽文化相契合.側(cè)部金屬幕墻與玻璃幕墻交相輝映，富于韻律感、現(xiàn)代感和體量感.體育館建筑效果圖如圖1所示.

2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

2.1 中央屋蓋索支穹頂

體育館中央主比賽區(qū)上空為中央屋蓋索支穹頂，其水平投影(圖2)為直徑38.0m圓形.中央屋蓋索支穹頂剖面(圖3)呈倒錐形，倒錐形底部由剛性撐桿和拉索構(gòu)成，撐桿底部較剛性內(nèi)環(huán)梁中心下沉3.5m.倒錐形頂部由放射性布置的徑向主梁和四圈環(huán)梁構(gòu)成，剛性內(nèi)環(huán)梁水平投影直徑8m，外環(huán)梁水平投影直徑38m，徑向主梁兩端分別與內(nèi)環(huán)梁和外環(huán)梁相接.中央屋蓋索支穹頂支承于屋面桁架頭部，以拉索受拉，外環(huán)梁、內(nèi)環(huán)梁及徑向主梁受壓構(gòu)成自平衡體系.拉索的主要作用是通過(guò)撐桿為穹頂網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供豎向彈性支撐、形成反拱，提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度和承載力.倒錐形的六叉撐桿也保證了自身及拉索的穩(wěn)定性.

圖1 體育館效果圖

2.2 桁架及環(huán)梁布置

中央屋蓋索支穹頂之外，沿徑向放射性布置屋面桁架(18榀)，為主要受力單元.屋面桁架為變截面三管桁架，桁架高度從根部2.5m到頭部逐漸收尖.在屋面桁架根部布置了一圈環(huán)桁架，以加強(qiáng)屋面桁架的整體作用.環(huán)桁架高度2.5m，從環(huán)桁架下伸支座立桿，鉸接于下部混凝土柱.在屋面桁架上弦環(huán)向布置環(huán)梁與屋面支撐，為屋面桁架和立面桁架提供側(cè)向支撐，提高屋蓋的抗扭能力.結(jié)構(gòu)布置如圖4所示.

圖2 中央屋蓋索支穹頂平面圖

圖3 中央屋蓋索支穹頂剖面圖

圖4 桁架及環(huán)梁布置圖

2.3 墻面鋼結(jié)構(gòu)布置

墻面區(qū)域，V柱沿柱底投影線環(huán)向布置，下包至5.1m混凝土大平臺(tái)的柱頂.在V柱頂部布置封邊梁，相鄰兩個(gè)V柱之間布置聯(lián)系梁，為V柱弦桿提供側(cè)向支撐.

V柱弦桿與外腹桿直接落至5.1m大平臺(tái)混凝土柱柱頂，或與5.1m大平臺(tái)混凝土柱側(cè)接(圖5).鋼結(jié)構(gòu)整體布置如圖6所示.

圖5 墻面鋼結(jié)構(gòu)布置圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)整體布置圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及性能目標(biāo)

3.1 設(shè)計(jì)荷載取值

(1)鋼結(jié)構(gòu)自重及恒荷載:結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動(dòng)加載并計(jì)算，并考慮1.1的節(jié)點(diǎn)增大系數(shù).恒荷載:玻璃幕墻為1.5kN/m2，金屬屋面及立面維護(hù)系統(tǒng)為0.8kN/m2，馬道荷載取3 kN/m，施加等效節(jié)點(diǎn)荷載10kN于臨近吊點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)上;

(2)活荷載:屋面部分為0.5kN/m2，墻面部分(包括金屬幕墻和玻璃幕墻)為0.3kN/m2.

(3)風(fēng)荷載:項(xiàng)目所在地區(qū)基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度類別 B類，根據(jù)荷載規(guī)范［1］規(guī)定，體型系數(shù)，屋面風(fēng)吸?。?.8;迎風(fēng)面風(fēng)壓+0.8;側(cè)風(fēng)面風(fēng)吸 －0.7;背風(fēng)面風(fēng)吸 －0.5;風(fēng)振系數(shù)取1.8.

(4)溫度荷載:由于局部溫差即構(gòu)件內(nèi)外表面溫差的影響較小，故計(jì)算時(shí)僅考慮整體溫度作用.大英地區(qū)年平均溫度約18度;月平均最高氣溫28度，月平均最低7度;極端最高氣溫40度，極端最低氣溫－4度;最終考慮整體升溫和降溫各25度.

(5)地震作用:按《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，大英地區(qū)按抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g來(lái)復(fù)核構(gòu)件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為二類，特征周期Tg=0.35s.結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算按6度考慮，抗震措施也按6度考慮小震水平地震影響系數(shù)最大值取0.04，中震水平地震影響系數(shù)最大值取0.12.

3.2 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類.小震作用下，控制所有鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比不超過(guò)0.8;中震作用下關(guān)鍵構(gòu)件(如支座立桿、徑向主梁、屋面桁架上下弦、側(cè)部墻面弦桿)確保彈性，其余鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比不超過(guò)0.9.

中央索支穹頂撓度限值為短向跨度的1/300，屋面桁架懸挑端撓度限值為懸挑跨度的1/125.關(guān)鍵構(gòu)件(支座立桿、V柱、弦桿)長(zhǎng)細(xì)比小于120，其他構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比小于 150［2］.

圖7 體育館整體空間三維模型

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算模型與分析軟件

設(shè)計(jì)中采用有限元程序SAP2000建立結(jié)構(gòu)整體空間三維模型(包括屋蓋及立面鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu))，如圖7所示，下部混凝土結(jié)構(gòu)柱底剛接.結(jié)構(gòu)桿件均采用梁?jiǎn)卧M，對(duì)于鉸接支座處支座立桿及其他需要彎矩釋放的構(gòu)件采用釋放桿端彎矩的梁?jiǎn)卧?對(duì)拉索采用壓力限值為0的梁?jiǎn)卧M.

在SAP2000程序中，建立質(zhì)量和剛度均為0的虛面，屋面及墻面鋼結(jié)構(gòu)荷載沿虛面施加面荷載并將荷載轉(zhuǎn)換到周邊桿件上，其中馬道荷載換算為等效點(diǎn)荷載施加于臨近吊點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)上.下部混凝土結(jié)構(gòu)的樓板按照實(shí)際厚度和剛度建模，荷載施加在樓板上.

圖8 體育館自振陣型

4.2 屋蓋豎向變形

為保證屋蓋具有足夠的豎向靜力剛度，設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制屋面桁架懸挑端及中央索支穹頂跨中撓度.結(jié)構(gòu)豎向位移見(jiàn)表1.

表1 結(jié)構(gòu)懸挑、屋蓋跨中位置豎向位移

由表1可知，屋面桁架懸挑端最大撓跨比為1/127，滿足規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)限值［1/125］的要求;中央索支穹頂最大撓跨比1/335，滿足規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)限值［1/300］的要求.

4.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

采用Ritz向量法對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型的前60階模態(tài)進(jìn)行分析，并保證結(jié)構(gòu)在X，Y，Z及RZ方向的陣型參與系數(shù)不小于90%.

結(jié)構(gòu)的前三階陣型如圖8所示.結(jié)構(gòu)前7階模態(tài)的周期和陣型情況見(jiàn)表1.

表2 周期及陣型

由圖8及表2可知，結(jié)構(gòu)的前3階模態(tài)均以中央索支穹頂?shù)呢Q向振動(dòng)為主，直到第4及第5階陣型才轉(zhuǎn)變?yōu)檎w的平動(dòng)，表明屋蓋的豎向剛度遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)整體的橫向剛度.結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)陣型出現(xiàn)在第7階，前三階陣型沒(méi)有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，表明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度良好.

圖9 焊接空心球節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布/MPa

4.4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性整體穩(wěn)定分析，假定材料為線彈性，荷載組合為恒載+滿布活載，結(jié)構(gòu)前三階屈曲模態(tài)表明中央索支穹頂部分首先屈曲，屈曲因子分別為 16.6，18.0，18.6，這是因?yàn)橹醒胨髦я讽斣谥行挠闪骱蛽螚U支撐，類似于彈性支撐作用，中央索支穹頂處變形較大，結(jié)構(gòu)首先在此處屈曲.對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮初始幾何缺陷的非線性分析，得到上述荷載組合下的屈曲因子為 10.0，均大于 5［3］，說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有較好的整體穩(wěn)定性.

4.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析

本工程鋼結(jié)構(gòu)桿件間的連接以相貫節(jié)點(diǎn)為主，主要是因?yàn)檫@種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力可靠，加工方便［4］.其中屋面桁架、封邊梁與V柱的連接節(jié)點(diǎn)匯交桿件較多，桿件的空間定位復(fù)雜，此處采用直徑600mm的焊接空心球節(jié)點(diǎn)(圖9).屋面桁架與環(huán)桁架匯交桿件較多，同時(shí)焊接空心球節(jié)點(diǎn)在受拉及受壓狀態(tài)下可能發(fā)生強(qiáng)度及穩(wěn)定性破壞［5］，因此有必要對(duì)上述節(jié)點(diǎn)(圖10)受力進(jìn)行具體分析.本文僅對(duì)以上兩類節(jié)點(diǎn)在最不利荷載作用下的ANSYS分析結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.

圖10 屋面桁架與環(huán)桁架相貫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布/MPa

由圖9及圖10可知，設(shè)計(jì)荷載作用下，焊接空心球節(jié)點(diǎn)的最大Mises應(yīng)力為122MPa.屋面桁架與環(huán)桁架相貫節(jié)點(diǎn)最大最大Mises應(yīng)力242MPa，均不超過(guò)295 MPa，整個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平較低，節(jié)點(diǎn)安全可靠.

5 結(jié)論

(1)由徑向屋面桁架、環(huán)桁架和中央索支穹頂構(gòu)成的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)豎向剛度高、整體穩(wěn)定性良好，且與建筑造型契合度高.

(2)通過(guò)在設(shè)置屋蓋環(huán)桁架與立面V柱鋼結(jié)構(gòu)，有效提高了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，同時(shí)很好滿足了建筑鹽晶體立面造型的需要.

(3)焊接空心球節(jié)點(diǎn)的設(shè)置既滿足了多根桿件的焊接要求，又大大降低了節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力水平，提高了節(jié)點(diǎn)安全度.

(4)多根桿件匯交的相貫節(jié)點(diǎn)，宜在主管內(nèi)設(shè)置內(nèi)加勁肋，同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)分析，以保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件準(zhǔn)則的實(shí)現(xiàn).

［1］GB 50009－2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］沈春祥，張同億等.石家莊國(guó)際會(huì)展中心標(biāo)準(zhǔn)展廳鋼結(jié)構(gòu)分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(3):29 －32.

［4］鄭江，郝際平等.某體育館復(fù)雜空間管桁架相貫節(jié)點(diǎn)承載力分析［J］.建筑科學(xué)，2013，29(1):1 －5.

［5］韓慶華，潘延?xùn)|，劉錫良.焊接空心球節(jié)點(diǎn)的拉壓極限承載力分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(10):1 －6.