關(guān)于大型體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計實例探討

徐春嬌

【摘 要】本文結(jié)合工程實例，主要針對某大學體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，主要從結(jié)構(gòu)受力特點、桿件及節(jié)點設(shè)計等方面進行了論述，旨在為公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】體育館；結(jié)構(gòu)設(shè)計；大跨度鋼結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

引言

在建筑結(jié)構(gòu)形式中，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有強度高、重量輕、組裝簡單、薄殼結(jié)構(gòu)受力合理等優(yōu)點，是大跨度空間結(jié)構(gòu)中一種舉足輕重的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)廣泛適用于復(fù)雜多變的建筑當中，不僅能夠滿足人們對建筑物的功能要求、感觀要求，而且具有很好的經(jīng)濟效益，因此在大跨度公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合工程實例，主要探討某大型體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，旨在為了大家提供借鑒。

1 項目概況

某大型體育館，總建筑面積15300m2，建筑高度30m，主要由排球館、籃球館、乒乓球館及配套用房組成?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。本工程設(shè)計的使用年限為50年，建筑物重要類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級、耐火等級及屋面防水等級都為二級，抗震設(shè)防烈度為7度。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

2.1 結(jié)構(gòu)選型

合理的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式在滿足建筑功能要 求的同時，還應(yīng)具有安全耐久、結(jié)構(gòu)輕巧、受力合理、經(jīng)濟適用、造型美觀等特點。根據(jù)該體育館的空間形體及平面形狀，初步可選擇的結(jié)構(gòu)方案有4種：1）空間折板網(wǎng)架；2）輻射狀空間桁架；3）平立面轉(zhuǎn)折處采用空間桁架，頂部采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，整體形成“空間桁架+單層網(wǎng)殼”的結(jié)構(gòu)體系；4）平立面轉(zhuǎn)折處采用空間桁架，頂部采用雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)， 整體形成空間管桁架-雙層網(wǎng)殼復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。經(jīng)分析可知，方案1顯得厚重，且影響立面采光帶效果；方案2桁架匯聚中心時需進行桁架歸并處理，間斷布置桁架從美觀上看對頂部采光頂?shù)囊曈X效果也有一定影響，且支座反力較大；方案3視覺效果較好，但由于頂部隆起處矢跨比很小，只有1/13，單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定問題極其突出。從美觀上來講，方案3優(yōu)于方案4，方案4優(yōu)于方案1、方案2；從用鋼量要小、剛度要大、支座反力要小、穩(wěn)定性要好的角度，方案1優(yōu)于方案4，方案4優(yōu)于方案2、方案3。綜合分析，最終選擇視覺效果及受力性能較好的方案4。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

體育館主體鋼結(jié)構(gòu)是由24榀徑向布置主桁架、5組環(huán)向封閉桁架與中部雙層網(wǎng)殼組成的空間管桁架-雙層網(wǎng)殼復(fù)合結(jié)構(gòu)。為了增加屋蓋結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)的整體剛度，在桁架上弦平面布設(shè)了交叉張緊圓鋼支撐體系，使桁架與中間網(wǎng)殼及支撐系統(tǒng)共同組成了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的超靜定結(jié)構(gòu)體系。主桁架下端鉸接于混凝土看臺柱上，支承間跨度79.1m，結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸93.3m，雙層網(wǎng)殼跨度44.3m。

3 荷載及工況組合

設(shè)計荷載取值。靜荷載標準值：屋面板及玻璃采 光頂自重0.7kN/m2，下弦吊掛荷載0.3kN/m2，且單點吊重不大于1.0kN；馬道荷載1.2kN/m；活荷載：屋面活荷載標準值為0.5kN/m2，雪荷載標準值為0.0kN/m2，二者取最大值；溫度荷載：±20℃；風荷載：基本風壓取 0.4kN/m2，風荷載體型系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)、風振系數(shù)按GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及經(jīng)驗取值；結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)取1.5，風荷載體型系數(shù)參照GB50009-2012做以下規(guī)定：體育館頂面風荷載體型系數(shù)為-1.0，體育館迎風墻面風荷載體型系數(shù)為+0.8，背風墻面風荷載體型系數(shù)為-0.5。本工程抗震設(shè)防烈度為6度。

基于以往工程經(jīng)驗，在荷載組合中考慮了靜荷載、活荷載及不利布置、溫度作用的影響以及四個風向下的風荷載，鋼結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。共考慮了70種荷載組合，這里僅列出主要的荷載組合工況：1）1.35恒+0.98活；2）1.20恒+1.4活；3）0.7恒+1.4風；4）1.2恒+1.4活+0.84風；5）1.2恒+1.4活+0.84風+溫；6）0.7恒+1.4風+溫。由于實際屋面板材料的重量存在較大的變異性，故在考慮風吸時，對靜荷載和活荷載的分項系數(shù)予以適當折減。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)建模計算

鋼結(jié)構(gòu)的計算中采用了3D3S（10.0版）、SAP2000（V14版）、MIDAS/GEN V.80等多個計算軟件建立了有限元模型，并對計算結(jié)果作了對比分析，鋼結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置的特點，采用了是否考慮與下部結(jié)構(gòu)共同受力的2種不同計算模型。第一種為鋼結(jié)構(gòu)不與下部結(jié)構(gòu)同時考慮的純鋼結(jié)構(gòu)計算模型，底部為固定鉸支座；第二種為鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)同時考慮的混合計算模型，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土鉸接嵌固。桿件單元選取時做如下假定：中間網(wǎng)殼桿件均為桿單元；對管桁架的桿件均為梁單元以及上、下弦桿為梁單元，腹桿為桿單元的計算模式分別進行了計算。采用SAP2000（V14版）進行鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的混合模型計算，混凝土強度等級為C30，混凝土梁柱均選用梁單元。

計算分析可以得出：1）不同的計算軟件所得的構(gòu)件內(nèi)力基本一致，結(jié)構(gòu)變形形狀與變形量接近。2）構(gòu)件選用梁單元還是桿單元對設(shè)計結(jié)果影響不大，主要原因是管桁架-雙層網(wǎng)殼復(fù)合結(jié)構(gòu)只承受節(jié)點荷載的作用，各構(gòu)件內(nèi)力以軸力為主，彎矩較小。3）從荷載組合產(chǎn)生的內(nèi)力結(jié)果來看，本工程主體鋼結(jié)構(gòu)是一規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu)，活荷載不利布置組合工況不起控制作用。4）網(wǎng)殼中央部分上弦受壓，下弦受壓，該區(qū)域的受力體現(xiàn)了網(wǎng)殼的特征，網(wǎng)殼徑向桿件最大壓力為530kN。

4.2 結(jié)構(gòu)振動特性

上部鋼結(jié)構(gòu)模型第一階振型為整體X向平動，周期0.8032s，第四階振型為整轉(zhuǎn)周期0.3991s，扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值為0.497，小于0.85，滿足JGJ7-2010要求；鋼結(jié)構(gòu)與混凝土整體模型第一階振型為向平X動，周期0.9961s，第三階振型為整體扭轉(zhuǎn)，周期0.6955s，扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值為0.698，小于0.85，滿足JGJ7-2010要求。

4.3 關(guān)鍵節(jié)點處理

上部網(wǎng)殼節(jié)點采用焊接球節(jié)點，空間管桁架采用管管相貫節(jié)點，弦桿截面貫通，腹桿焊于弦桿之上。桁架弦桿變徑處采用錐頭進行平緩過渡，盡量少設(shè)接頭，以達到建筑美觀要求。當桿件長度無法滿足要求時，拼接節(jié)點采用全熔透等強對接焊縫，對焊時加短襯管，并磨平焊縫余高，達到與被連接材料同樣的光潔度?？臻g管桁架弦桿轉(zhuǎn)折處采用焊接球節(jié)點進行處理，最大焊接球尺寸為 D550×30，采用有限元軟件ANSYS對該節(jié)點進行計算分析，根據(jù)節(jié)點分析結(jié)果可知，節(jié)點在設(shè)計荷載下大部分區(qū)域的等效應(yīng)力不超過160MPa，表明此種節(jié)點具有較大的安全儲備。

5 結(jié)束語

總之，隨著建筑施工技術(shù)不斷進步，大跨度公共建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案越來越多。因此，在進行鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級以及抗震設(shè)防類別確定其基本要求。本文通過對某體育館合理的選型分析設(shè)計，可將單一的網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架等傳統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)形式替代為復(fù)合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系或其他結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新和突破，進而提高大跨公共建筑結(jié)構(gòu)的整體美觀性、經(jīng)濟性和安全性。

【參考文獻】

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