體育館鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

逯 曉 強

1 工程概況及網(wǎng)架選型

本文選用山西省某體育館作為分析模型，設(shè)防烈度為8度，地震加速度為0.2g。該館長86.4 m，寬69.9 m。網(wǎng)架支座底標高為17 m，網(wǎng)架頂標高為26.45 m，X與Y向柱距均為4.1 m～8.5 m。由于建筑專業(yè)對體育館大空間的要求，同時該體育館作為地標建筑，該工程屋頂采用了沿長跨方向波浪形網(wǎng)殼，該館的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計都展現(xiàn)了其獨特的風格。

為保證下部混凝土結(jié)構(gòu)整體剛度，本工程中在體育館周圈和內(nèi)部設(shè)混凝土框架柱，在框架柱頂設(shè)置混凝土環(huán)梁。體育館周圍網(wǎng)架支撐處設(shè)型鋼柱，為了增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度，南北看臺兩側(cè)各設(shè)置300 mm厚剪力墻。

該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用雙層正放三角錐的結(jié)構(gòu)形式，且在兩個方向均采用懸挑形式，使受力更為合理，且能滿足建筑專業(yè)的外形要求，而網(wǎng)架重力荷載小、造價便宜、剛度大、抗震性能好的優(yōu)點也能得到體現(xiàn)，見圖1。

2 計算模型的建立

傳統(tǒng)體育館設(shè)計常采用PKPM建立混凝土結(jié)構(gòu)模型，用3D3S建立網(wǎng)架模型，分別計算，再將網(wǎng)架支座軸力作為節(jié)點荷載代入混凝土模型中計算。

混凝土結(jié)構(gòu)屋面采用虛梁結(jié)合厚度為0的樓板進行分析，將上部網(wǎng)架進行了簡化，僅認為單純的荷載傳遞，忽略了網(wǎng)架的整體剛度，實際上網(wǎng)架平面內(nèi)剛度較大，作為網(wǎng)架的支座生根點，框架柱的平面外長度較長，剛度較小，柱與網(wǎng)架相互之間影響是顯著存在的，結(jié)構(gòu)總體剛度為上剛下弱，框架柱難以有效的提供穩(wěn)定支撐，對平面外的作用力(地震、風荷載、溫度荷載)，框柱能起到的作用很有限，單純的網(wǎng)架簡化導致柱配筋偏小，整體位移比計算不真實。

而上部模型中網(wǎng)架采用剛性支座計算，與實際不符，網(wǎng)架模型中僅能模擬鋼構(gòu)件的重力荷載下的內(nèi)力，而無法模擬支座位移以及溫度效應(yīng)下的應(yīng)力。上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大，整體側(cè)向剛度大，水平地震作用下在支撐柱底部產(chǎn)生較大的彎矩；同時由于下部大空間的使用要求，支撐柱常具有較大的間距且不宜設(shè)置過多的柱間支撐，這就導致結(jié)構(gòu)成為下柔上剛體系，不利于抗震設(shè)防[1]。

本文采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架整體組合計算的模型，并結(jié)合局部計算模型的結(jié)果，采用包絡(luò)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)的薄弱位置進行了加強，從計算和構(gòu)造兩方面進行考慮。采用型鋼混凝土柱，能加大柱的剛度，柱中鋼骨又能直接與網(wǎng)架支座進行焊接連接，見圖2。

3 支座類型

本工程采用周邊支撐網(wǎng)架，特點是受力平均，傳力路徑簡單。受力情況類似于框梁或整體式無梁樓板，為了使網(wǎng)架受力均勻，應(yīng)參考框架梁或者無梁樓板的受力，網(wǎng)架設(shè)計成懸挑結(jié)構(gòu)，使跨中正彎矩和撓度減少，滿足了建筑專業(yè)的波浪形體要求，節(jié)約了造價。

模型中工況以地震效應(yīng)為主，屋面網(wǎng)架由于跨度較大，溫度作用也較為明顯，需要適當釋放溫度應(yīng)力。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)，在均勻溫度場作用下，由于桿件不能自由脹縮，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。網(wǎng)架的溫度應(yīng)力主要由支承結(jié)構(gòu)阻礙網(wǎng)架溫差變形而產(chǎn)生。對于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)影響很大。所以支座必須具有釋放溫度應(yīng)力的能力[2]。

在選用支座時，人們考慮的是溫度效應(yīng)或恒活荷載，對支座的抗震性能考慮較小，在進行建模分析時也沒有引入支座的隔震效果，網(wǎng)格隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的很少。而在本工程中采用的鉛芯橡膠支座把某些網(wǎng)架生根位置設(shè)計成隔震支座，可以在地震時，通過鉛芯橡膠支座本身的橡膠變形減輕與消耗地震力，達到保護主體網(wǎng)架的作用。地震后，隔震支座可以更換或者檢修。同時隔震支座可以限制支座的位移量在一定范圍內(nèi)，既能產(chǎn)生滑動，又有限位裝置，保證結(jié)構(gòu)的安全[3]。

本文采用鉛芯橡膠支座與抗震球支座結(jié)合的方式支撐網(wǎng)架，支撐類型為周邊支撐。在保證整體結(jié)構(gòu)超靜定約束的情況下，適當釋放部分支座約束，在若干部位采用鉛芯橡膠支座作為滑動支座，其他部位采用抗震球支座作為鉸支座，將溫度應(yīng)力較大部位應(yīng)力釋放。

4 工程結(jié)果對比

采用盈建科軟件共建立了2種模型進行計算分析:模型A為混凝土主體結(jié)構(gòu)單獨計算模型，模型B鋼屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的組合模型。根據(jù)對比分析可得，組合計算的模型其自振周期相對于單獨混凝土框架結(jié)構(gòu)的周期明顯減小，說明網(wǎng)架屋蓋起到了很大的剛度作用，對柱頂是有效的約束。單獨混凝土框架柱頂為懸臂柱，虛梁與板很難對框架柱頂產(chǎn)生有效的約束，而網(wǎng)架平面內(nèi)剛度較大，對約束框柱的平面外位移起到了較大的作用。且組合結(jié)構(gòu)的3～9振型周期均較小，進而有效地避開了場地的特征周期。在1,2振型下兩者差異并不大，說明主要周期還是與鋼筋混凝土主體部分有關(guān)，屋頂網(wǎng)架能有效的約束柱頂?shù)呐まD(zhuǎn)變形，提高了抗扭剛度，后排周期衰減較快，保證了主要周期以兩個方向平動為主，見表1。

表1 模型A與模型B的自振周期對比

根據(jù)對比分析可得，兩個模型的最大剪力樓層均在首層，說明整體剛度自下而上線性變小，符合規(guī)范要求。組合計算的模型

其Y向地震剪力相對于單獨混凝土框架結(jié)構(gòu)的剪力明顯減小，地震效應(yīng)相應(yīng)減小，在模型B具有較大剛度的基礎(chǔ)上，地震剪力響應(yīng)反而更小，說明模型布置較為合理，見表2。

表2 模型A與模型B的樓層剪力對比 kN

對比分析可看出，組合結(jié)構(gòu)整體位移量均小于單獨框架。網(wǎng)架支座對于位移很敏感，局部支座產(chǎn)生的位移量會對上部支座造成不均勻沉降，對超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生不利的影響。由于本模型為大開洞板計算，不可采用剛性樓板假定，模型計算的層間位移角無實際意義，本表中未列入層間位移角的對比,見表3，表4。

表3 模型A與模型B的樓層X向水平位移

表4 模型A與模型B的樓層Y向水平位移

5 結(jié)語

本文通過結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件盈建科，對體育館下主體部混凝土結(jié)構(gòu)模型與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架整體組合計算的模型進行對比，并采取結(jié)構(gòu)措施(增加型鋼混凝土柱、設(shè)置鉛芯橡膠支座)，通過對比分析，得出了結(jié)論：

1)下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分別計算，局限性較大，無法真實反映工程情況整體組合模型能夠較為真實的模擬實際受力模型。柱與網(wǎng)架節(jié)點處能夠根據(jù)計算結(jié)果采用相應(yīng)的加強措施。2)鉛芯橡膠支座能夠適當?shù)尼尫艤囟刃?yīng)，減小溫度應(yīng)力集中，并且能夠起到保護主體網(wǎng)架的作用，地震力作用時優(yōu)先受力，破壞后能夠修復(fù)或更換，且具有其他網(wǎng)架支座所不具有的限制位移功能。3)框架柱作為框架的唯一抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強其構(gòu)造措施。由于體育館特殊形體的原因，框架柱平面外長度較長，上部為網(wǎng)架支座生根位置，采取型鋼混凝土柱為比較可靠的結(jié)構(gòu)加強措施。