某體育文化中心大跨屋蓋結(jié)構(gòu)設計

曹 靈 泳

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

上海某區(qū)體育文化活動中心一期工程，建設內(nèi)容包括體育館、殘聯(lián)用房及停車庫等配套服務設施。建成后總建筑面積為30 880 m2，其中地上建筑面積18 880 m2，地下建筑面積12 000 m2。本文涉及其中體育館的屋蓋結(jié)構(gòu)設計。鋼屋蓋長約79.3 m，寬約77.1 m，采用沿斜向正交布置的交叉張弦桁架結(jié)構(gòu)，張弦桁架最大跨度為71.276 m；所有屋蓋鋼結(jié)構(gòu)均通過抗震球形鋼支座支承于混凝土柱頂上，所有支座均為固定鉸支座。結(jié)構(gòu)最高點為25.606 m。結(jié)構(gòu)的設計使用年限為50年，安全等級為二級，耐火等級為一級。建筑效果圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)屋面的建筑形態(tài)、下部結(jié)構(gòu)可以提供的支承條件以及建筑要求的效果，并綜合考慮各結(jié)構(gòu)體系適用性，屋頂按區(qū)域采用不同的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

1)標準柱跨區(qū)域，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，與大跨連接處的鋼梁采用鉸接，釋放大跨桁架變形引起的彎矩，見圖3。

2)主場館大跨區(qū)域：建筑要求結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件沿場館的45°斜向正交布置，以契合建筑效果，綜合考慮跨度、經(jīng)濟性等因素，大跨區(qū)域采用雙向正交布置的張弦桁架結(jié)構(gòu)。張弦桁架總高度5 m。上弦采用雙向正交布置的桁架結(jié)構(gòu)，桁架采用鋼管焊接而成，總高度1.8 m。下弦采用雙向正交布置的索系，索系下凸形成一個凸透鏡面，在索系和上部桁架構(gòu)件的節(jié)點位置布置豎向撐桿(最高處3.2 m)，從而構(gòu)成雙向正交張弦桁架，能夠保證上弦和下弦的整體穩(wěn)定[1]。桁架與支座鋼柱連接，支座鋼柱通過抗震球型鉸支座與下部混凝土結(jié)構(gòu)連接。

豎向荷載下，上部桁架結(jié)構(gòu)受壓受彎，下部索系受拉，形成桁架機制，同時撐桿受壓起到了對上部的反拱作用，改善了結(jié)構(gòu)的豎向剛度和承載力。周邊通過抗震球型鉸支座支承于下部混凝土柱頂，豎向力可以直接傳遞給下部結(jié)構(gòu)。水平力的傳遞，由于上部桁架是斜向正交布置，類似于滿堂支撐形式，同時還在主桁架壓彎構(gòu)件上弦桿平面內(nèi)布置了封閉的交叉支撐，面內(nèi)剛度好，故水平力通過桁架結(jié)構(gòu)直接傳遞給抗震球型鉸支座，進而傳遞給下部混凝土結(jié)構(gòu)。

本文主要討論大跨區(qū)域的張弦桁架的設計。

主要鋼材采用Q345B，柔性支撐采用Q235B,桁架鋼管主要截面尺寸為φ89/4～φ325/14，拉索為φ5×109的PE索，撐桿截面為φ159/8。

結(jié)構(gòu)布置如圖4,圖5所示。

3 結(jié)構(gòu)設計與分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算模型

在結(jié)構(gòu)設計軟件3D3S中建立了整個屋蓋和下部混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體模型[2]，能夠準確模擬屋蓋的邊界條件,如圖6所示。

對于張弦桁架的上弦壓彎構(gòu)件：弦桿采用梁單元模擬，考慮軸力的作用，按照壓彎或者拉彎構(gòu)件驗算；腹桿采用兩端鉸接的梁單元模擬，按照軸拉或者軸壓構(gòu)件驗算；對于張弦桁架的撐桿，腹桿采用兩端鉸接的梁單元模擬，按照軸壓構(gòu)件驗算；對于張弦桁架的拉索及屋面交叉支撐采用兩端鉸接的梁單元模擬，設置為只拉單元[3]，按照軸拉構(gòu)件驗算；對于周邊的支座鋼柱，采用一端鉸接的梁單元模擬，鉸接端模擬抗震球型鉸支座，考慮軸力的作用，按照壓彎或者拉彎構(gòu)件驗算；屋面荷載和吊掛荷載通過在壓彎構(gòu)件上弦和下弦平面上設置質(zhì)量和剛度均為零的虛面來導荷載；下部混凝土結(jié)構(gòu)按照真實的結(jié)構(gòu)布置和荷載輸入。

3.2 荷載取值及設計控制指標

3.2.1荷載取值

屋面荷載通過虛面導至四周的結(jié)構(gòu)桿件上。

1)結(jié)構(gòu)自重：由程序自動計算，并將鋼材容重放大1.1倍，以考慮節(jié)點增大系數(shù)。

2)屋面恒荷載：按實際取值，含吊頂，燈具，金屬屋面荷載，馬道等，大部分區(qū)域取為1.8 kN/m2，局部區(qū)域取為2.8 kN/m2。

3)雪荷載：取100年重現(xiàn)期的基本雪壓0.25 kN/m2，按全跨積雪的均布分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況考慮。雪荷載標準值取為0.5 kN/m2。

4)活荷載：大部分區(qū)域0.5 kN/m2，局部區(qū)域1.0 kN/m2(含馬道檢修活載)。雪荷載與活荷載取大值進行荷載組合。

5)風荷載：取50年一遇的基本風壓0.55 kN/m2，屋面的風荷載體型系數(shù)取為-0.60，地面粗糙度類型為B類。

6)溫度作用：月平均氣溫：最高36 ℃，最低氣溫-4 ℃鋼結(jié)構(gòu)合龍溫度暫為10 ℃～25 ℃，最終考慮升溫25 ℃，降溫25 ℃。

7)地震作用：本工程體育館考慮兼有演出功能，按文化娛樂建筑取抗震設防類別為重點設防，按本地區(qū)設防烈度7度計算地震作用，按8度采取抗震措施。設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.10g，建筑場地類別為Ⅳ類，場地特征周期Tg=0.90 s?？紤]水平和豎向地震的作用。

3.2.2鋼結(jié)構(gòu)設計主要控制指標

豎向撓度：跨中撓度限值[L/300]，L為屋蓋跨度；懸挑端撓度限值[L/150]，L為懸臂長度；

桿件應力比：不大于0.9f(f為鋼材的強度設計值)；拉索內(nèi)力小于其破斷荷載的1/2(安全系數(shù)不小于2)。

3.3 典型工況下的靜力分析

初始狀態(tài)下(拉索張拉完畢，屋面荷載和活載未施加)拉索的內(nèi)力應使得張弦桁架在各種工況下的撓度和承載力滿足要求，且在風吸作用下拉索不發(fā)生松弛。經(jīng)過試算調(diào)整，拉索內(nèi)力如圖7所示。初始狀態(tài)下，主桁架壓彎構(gòu)件上下弦的內(nèi)力都較小，拉索內(nèi)力較為均勻。

在豎向荷載作用下，主桁架壓彎構(gòu)件的上弦和下弦以承受的軸力為主，承受的彎矩很小，可見主桁架將受彎的梁內(nèi)的復雜應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為桁架桿件內(nèi)簡單的拉壓應力狀態(tài)。力流傳遞清晰直觀，壓彎構(gòu)件上下弦受力較為均勻，如圖8,圖9所示。

拉索最大軸力為1 300 kN，遠小于其破斷荷載3 360 kN；風吸作用下，拉索最小軸力為497 kN，拉索始終不松弛，如圖10所示。

桿件應力比如表1所示。

從上述內(nèi)容可以看出，在各荷載組合工況和初始狀態(tài)下，鋼屋蓋的強度應力、穩(wěn)定應力均小于0.9，拉索內(nèi)力安全系數(shù)大于2.0，滿足要求。

表1 鋼屋蓋各部位主要桿件應力比

3.4 典型工況下的變形分析

考察大跨屋蓋中心點在各工況下的撓度。

1)非地震組合工況下，中心點撓度如表2所示。

表2 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)變形分析結(jié)果 mm

表2及圖11說明：結(jié)構(gòu)跨中的最大撓跨比為1/467，滿足規(guī)范關于結(jié)構(gòu)限值[1/300]的要求。

2)地震組合工況下，中心點撓度如表3所示。

表3 屋蓋小震反應譜分析變形結(jié)果 mm

表3及圖12說明：鋼屋蓋在重力和地震組合下的結(jié)構(gòu)撓跨比為1/486，滿足規(guī)范[4]第10.2.12條關于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)限值的要求。

3.5 屋蓋的極限承載力分析

采用ANSYS軟件[5]彈塑性極限承載力計算分析。材料采用雙線性隨動強化模型，穩(wěn)定分析采用弧長法(選取桁架的跨中節(jié)點進行荷載—位移曲線繪制)。

本結(jié)構(gòu)體系進行彈塑性極限承載力分析時考慮初始缺陷(L/300)的影響[6]，初始缺陷的分布形式取為第一階屈曲模態(tài)。

分析結(jié)果如圖13所示。

由以上荷載—位移曲線可以看出：

1)考慮材料非線性和初始缺陷后，臨界荷載因子約為4.0，滿足規(guī)范要求的2.0[6]。說明當結(jié)構(gòu)的荷載在施加到4.0倍時結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承載而發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)彈塑性承載力因子滿足要求。2)對該工程而言，結(jié)構(gòu)最終是由于桿件較多進入塑性而無法繼續(xù)承載，屬于強度破壞，此時，結(jié)構(gòu)并未發(fā)生整體失穩(wěn)，表明結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。3)結(jié)構(gòu)的豎向荷載位移曲線均較接近直線，說明結(jié)構(gòu)受到非線性影響并不明顯，結(jié)構(gòu)的剛度并未發(fā)生顯著折減。

4 結(jié)語

本工程根據(jù)建筑效果的需求，在大跨屋蓋區(qū)域選用雙向正交布置的張弦桁架結(jié)構(gòu)；通過建立屋蓋與下部混凝土結(jié)構(gòu)的整體模型，分析了各工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，計算結(jié)果表明屋蓋結(jié)構(gòu)受力清晰，各桿件應力比小于0.9，拉索內(nèi)力安全系數(shù)大于2.0，變形滿足規(guī)范要求；利用ANSYS有限元軟件對屋蓋結(jié)構(gòu)進行了極限承載力分析，臨界荷載因子滿足規(guī)范要求，結(jié)果表明屋蓋結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。