從實(shí)際案例淺談場(chǎng)館類體育建筑位移比指標(biāo)控制

摘?要：近年來隨著經(jīng)濟(jì)、科技的極速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的場(chǎng)館類體育建筑，建筑造型也越來越復(fù)雜。由于場(chǎng)館類體育建筑存在大跨度、大開洞、斜撐作用明顯等特點(diǎn)，導(dǎo)致該類建筑的結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算存在很多難點(diǎn)，尤其是結(jié)構(gòu)層間位移比指標(biāo)。本文以某縣體育館建筑作為研究對(duì)象，首先介紹了工程概況、提出問題，其次探討了兩種解決思路，并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，作為日后類似工程的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：體育館;位移比指標(biāo);抗震

一、 工程概況

某縣體育館建筑主要功能為一個(gè)5830座標(biāo)準(zhǔn)比賽主館和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)手球訓(xùn)練場(chǎng)及其相關(guān)配套設(shè)施。地上建筑共3層，高度為23.95米（室外地坪至檐口與屋脊的平均高度），建筑平面形狀為扇形，跨度約134×83米，為保證結(jié)構(gòu)整體性，未設(shè)抗震縫，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，屋蓋采用空間管桁架鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，高度方向呈雙向曲面，曲面中間高而四周低，最大跨度92米。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別：乙類，6度區(qū)，0.05g，三組，二類場(chǎng)地。本工程采用“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件-YJK”進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，該模型已整合鋼結(jié)構(gòu)屋蓋部分，并在柱頂設(shè)置短桿真實(shí)模擬鋼結(jié)構(gòu)屋蓋下部的橡膠墊的剛度;采用CSI公司通用有限軟件SAP2000v19對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋部分進(jìn)行計(jì)算和分析，該模型未帶入下部鋼筋混凝土部分。其總裝模型如圖1所示：

體育館看臺(tái)共兩層，分層建模，其中“標(biāo)準(zhǔn)層1”對(duì)應(yīng)2層看臺(tái)，“標(biāo)準(zhǔn)層2”對(duì)應(yīng)3層看臺(tái)，計(jì)算結(jié)果顯示，“X向最大層間位移角”為1/667，“Y向最大層間位移角”為1/1932，均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010 （以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）表5.5.1框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值（1/550）;在“X+偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為2.80;在“X-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為2.74;在“Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用”工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為2.16，在“Y-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為2.20，均超出《抗規(guī)》3.4.4條第一款層間位移比限值（1.5）較多，按規(guī)范，應(yīng)為特別不規(guī)則建筑，糾其原因，在于三層看臺(tái)與二層看臺(tái)連成一體，形成斜撐，但又按“層”建模，導(dǎo)致其節(jié)點(diǎn)剛度異常大，層間位移比失去意義。

二、 解決思路

（一）模型簡(jiǎn)化

本工程由于體育館自身使用功能的特點(diǎn)，形成了二層樓面除比賽區(qū)域?yàn)槎纯谕饣就暾钠矫妫訕敲嬉陨蠘?biāo)高根據(jù)平面功能，形成了不同標(biāo)高的較小面積的混凝土樓面，在體育館主比賽區(qū)由于看臺(tái)功能的需要，形成了通過看臺(tái)而形成的二層和三層樓面連成一個(gè)整體的近似于三角形的空間的結(jié)合體，如圖2所示;對(duì)應(yīng)力學(xué)模型如圖3所示，由于通過傾斜的樓板把兩個(gè)標(biāo)高的樓面連成一個(gè)整體，第二層與第一層之間不可能發(fā)生相對(duì)位移，也就是樓層剛度K趨近于∝，其力學(xué)模型更接近于下圖中圖4所示的力學(xué)模型，這個(gè)廣義“第一層”具有三個(gè)方向的質(zhì)量、剛度和相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性，在YJK軟件中，定義上述廣義的“第一層”，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，從力學(xué)概念上更加符合結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，該“層”的計(jì)算指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)范對(duì)于框架結(jié)構(gòu)位移比、位移角等相關(guān)參數(shù)的規(guī)定。

結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中的“層”是樓板不相連而通過豎向的柱、墻把不同標(biāo)高的樓面連成整體，上下樓層之間的位移的相關(guān)性是通過豎向構(gòu)件進(jìn)行協(xié)調(diào)的。

按此簡(jiǎn)化模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示，“X向最大層間位移角”為1/663，“Y向最大層間位移角”為1/1904，均滿足《抗規(guī)》表5.5.1框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值（1/550），且與按分層建模時(shí)，結(jié)構(gòu)最大位移角數(shù)值接近;在“X+偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為1.48;在“X-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為1.46;在“Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為1.45，在“Y-偶然偏心規(guī)定水平力作用” 工況下，“標(biāo)準(zhǔn)層2”最大層間位移比為1.42，均滿足《抗規(guī)》3.4.4條第一款層間位移比限值（1.5），為一項(xiàng)不規(guī)則。

（二）整體分析

對(duì)于類似于體育場(chǎng)館這種平、立面均不規(guī)則的空曠復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，下部有規(guī)則層，上部沒有嚴(yán)格層概念的結(jié)構(gòu)，位移比，位移角等基于層概念控制的指標(biāo)，在沒有層概念的部分軟件輸出結(jié)果是不準(zhǔn)確的?？磁_(tái)應(yīng)是一個(gè)整體，只是建模造成分層不均，所以將看臺(tái)作為一個(gè)整體（仍采用分層建模），采用電算詳細(xì)輸出，選取看臺(tái)四個(gè)角作為控制性節(jié)點(diǎn)，然后統(tǒng)計(jì)分析這些節(jié)點(diǎn)的位移及位移角，具體步驟如下：

（1）工況14.X+偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺(tái)的位移比計(jì)算結(jié)果，如表1所示：

（2）工況15.X-偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺(tái)的位移比計(jì)算結(jié)果，如表2所示：

（3）工況17.Y+偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺(tái)的位移比計(jì)算結(jié)果，如表3所示：

（4）工況18.Y-偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下看臺(tái)的位移比計(jì)算結(jié)果，如表4所示：

由上面各工況得到，當(dāng)看臺(tái)作為整體驗(yàn)算時(shí)，最大層間位移比為1.49，滿足《抗規(guī)》3.4.4條第一款層間位移比限值（1.5），為一項(xiàng)不規(guī)則。

三、 結(jié)論和抗震措施

綜上分析，YJK等分層建模計(jì)算軟件，計(jì)算位移比時(shí)按層輸出數(shù)據(jù)，針對(duì)體育場(chǎng)館等空曠復(fù)雜空間、沒有嚴(yán)格層概念的結(jié)構(gòu)，位移比輸出結(jié)果是不準(zhǔn)確的。位移比、位移角等基于層概念控制的指標(biāo)，可采取合理的簡(jiǎn)化模型或按整體分析法得到。針對(duì)體育場(chǎng)館類公共建筑，人流量較大，且平面、立面不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)指標(biāo)的前提下，尚應(yīng)采取一些加強(qiáng)措施，以保證結(jié)構(gòu)抗震性能：

（1）此類建筑一般都存在薄弱層，應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性變形，避免結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下，由于結(jié)構(gòu)薄弱部位產(chǎn)生了彈塑性變形，結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞嚴(yán)重甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌。

（2）依《抗規(guī)》5.1.2條，采用彈性時(shí)程分析對(duì)結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，如作為屋面桁架支撐點(diǎn)的框架柱補(bǔ)充抗震性能化設(shè)計(jì)，提高構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，性能目標(biāo)可設(shè)定為：中震抗彎不屈服，抗剪彈性，大震抗剪不屈服。

四、 結(jié)語

本文通過實(shí)際工程案例對(duì)場(chǎng)館類體育建筑位移比指標(biāo)不滿足進(jìn)行了分析，并給出了兩種解決方法，結(jié)論，此場(chǎng)館類體育建筑位移比指標(biāo)不可按“常規(guī)層”來計(jì)算，可采用“廣義層”計(jì)算，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)層間位移角。

參考文獻(xiàn)：

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010（2016 年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

作者簡(jiǎn)介：薛書洋，南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司。