某中學(xué)風(fēng)雨操場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)方案選型與分析

何守民，袁燊，姚運(yùn) （深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000）

1 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人們生活水平逐步提高的時(shí)代背景下，建筑工程中大跨度結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，除了體育館、展館、音樂(lè)廳等公共建筑，學(xué)校中的報(bào)告廳、室內(nèi)運(yùn)動(dòng)館中也出現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)的需求，且業(yè)主對(duì)美觀及空間使用感受、經(jīng)濟(jì)性、施工工期等都提出了較高要求[1]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，初步敲定結(jié)構(gòu)方案，對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系的選擇，首先要在結(jié)構(gòu)可行的前提下，最大化的滿足人的需求，也就是滿足建筑的使用功能；其次要考慮造型的美觀、施工的便利等因素[2]。本文對(duì)某中學(xué)風(fēng)雨操場(chǎng)中的大跨度屋蓋進(jìn)行方案選型，擬定了3種結(jié)構(gòu)方案，并分別進(jìn)行計(jì)算和分析，綜合考慮多方面因素后，選定立體管桁架+鋼筋桁架樓承板為最終設(shè)計(jì)方案。

2 工程概況

某中學(xué)位于安徽省合肥市，由教學(xué)樓、綜合樓、風(fēng)雨操場(chǎng)等組成，其中風(fēng)雨操場(chǎng)與綜合樓毗鄰并設(shè)抗震縫脫開(kāi)，地上2層，建筑高度9.3m，局部?jī)蓪油ǜ?，形成長(zhǎng)向跨度（X向）37.5～40.5m，短向跨度（Y向）23.6m 的大空間（圖1），主要使用功能為室內(nèi)籃球場(chǎng)，輔助功能為報(bào)告廳。本次設(shè)計(jì)對(duì)象為該大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。

圖1 某中學(xué)風(fēng)雨操場(chǎng)大空間平面圖

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223-2008）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）及《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50123-2008），中小學(xué)為重點(diǎn)設(shè)防類，故本工程地震作用的計(jì)算分析按7度，抗震措施按8度考慮，結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)取1.1。

本工程屋面為上人保溫屋面，恒載4.0kN/m2（不含樓板自重），活載2.0kN/m2，屋面吊掛活載 0.3kN/m2(吊掛燈具等)，屋面采用由北向南的單向結(jié)構(gòu)找坡，以減少屋面找坡材料自重。

3 屋蓋結(jié)構(gòu)方案選型

在本工程設(shè)計(jì)前期的溝通階段，綜合考慮了室內(nèi)音效、上人屋面等因素后，業(yè)主明確提出屋面板需采用鋼筋混凝土屋面板，其余不作要求，本工程屋蓋結(jié)構(gòu)的方案選型主要考慮以下3方面因素：①安全性，保證結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度；②適用性，滿足建筑的使用功能要求；③經(jīng)濟(jì)性，在滿足前兩條的基礎(chǔ)上，盡量減少材料用量，降低施工難度。

在考慮以上因素后，本工程屋蓋結(jié)構(gòu)擬采用的方案有3種：①鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)；②平面管桁架+鋼筋桁架樓承板；③立體管桁架+鋼筋桁架樓承板。

現(xiàn)分別就3種方案進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)

圖2 鋼筋混凝土梁板（方案一）

圖3 平面管桁架布置（方案二）

圖4 立體管桁架布置（方案三）

由于該大空間X向跨度37.5～40.5m，Y向跨度23.6m，兩個(gè)方向的跨度相差較大，難以形成共同受力的雙向主次梁結(jié)構(gòu)，擬采用沿Y向布置的單向梁結(jié)構(gòu)（圖2），單向主、次梁截面均采用400x1700，間距2.7～3m，本方案采用YJK軟件進(jìn)行建模計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，梁實(shí)配的通長(zhǎng)頂筋為625，底筋為1628 4/6/6，最大撓跨比為1/282。

3.2 平面管桁架+鋼筋桁架樓承板

擬采用雙向布置的平面管桁架結(jié)構(gòu)（圖3），兩個(gè)方向的平面管桁架互為平面外側(cè)向支撐，用以減少弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度，短向（Y向）平面管桁架共設(shè)置7榀，支座采用下承式，桿件實(shí)際采用的截面為：上弦桿φ351×16，下弦桿φ245×16，腹桿 φ114×7.5、φ146×10。長(zhǎng)向（X向）平面管桁架共設(shè)置5榀，支座采用上承式，其中端部?jī)砷糜诙滔蚬荑旒艿姆膺?、支撐，桿件截面同短向桁架，其余三榀桿件實(shí)際采用的截面為：上弦桿φ180×9，下弦桿 φ168×10，腹桿 φ73×4.0、φ102×7.0。屋面檁條沿 X向布置，截面為 H300×200×8×12。兩個(gè)方向桁架的計(jì)算高度均為1.6m，自下弦桿底至屋面的屋蓋實(shí)際高度約為2m，弦桿節(jié)間長(zhǎng)度為1.3～1.8m。

本方案采用3D3S軟件進(jìn)行建模分析，桿件鋼材均采用Q345B，桁架一端為固定鉸支座，另一端為沿桁架方向的單向滑動(dòng)鉸支座，計(jì)算跨度自柱側(cè)或梁側(cè)牛腿中心起算，經(jīng)計(jì)算，本方案最大桿件應(yīng)力比出現(xiàn)在下弦，為0.905，最大撓跨比為1/422，計(jì)入檁條的單位面積用鋼量為104.5kg/m2。

3.3 立體管桁架+鋼筋桁架樓承板

擬采用單向布置的立體管桁架結(jié)構(gòu)（圖4），立體管桁架斷面為倒三角形，沿短向（Y向）布置，共設(shè)置4榀，支座采用下承式，桿件實(shí)際采用的截面為：上弦桿φ273×16，下弦桿 φ351×22，腹桿 φ83×6.0、φ121×8.0、φ140×10.0。立體管桁架兩端各設(shè)置一榀平面管桁架作為端部側(cè)向支撐，桿件實(shí)際采用的截面為：上弦桿φ102×5.0，下弦桿 φ102×5.5，腹桿 φ73×4.0。屋面檁條沿X向布置，截面為H300×200×8×12。桁架的計(jì)算高度為1.6m，自下弦桿底至屋面的屋蓋實(shí)際高度約為2m，弦桿節(jié)間長(zhǎng)度為1.3～1.7m。

本方案采用3D3S軟件進(jìn)行建模分析，桿件鋼材均采用Q345B，桁架一端為固定鉸支座，另一端為沿桁架方向的單向滑動(dòng)鉸支座，計(jì)算跨度自柱側(cè)或梁側(cè)牛腿中心起算，經(jīng)計(jì)算，本方案最大桿件應(yīng)力比出現(xiàn)在下弦，為0.898，最大撓跨比為1/425，計(jì)入檁條的單位面積用鋼量為 78.9kg/m2。

4 計(jì)算結(jié)果分析

方案一中鋼筋混凝土梁的最大撓跨比為1/282，考慮梁制作時(shí)預(yù)先按1/600起拱，最終撓跨比為1/532，滿足1/300的撓度限值要求[3]，此方案采用的結(jié)構(gòu)梁高為1.7m，室內(nèi)的風(fēng)管貼梁底布置，計(jì)入安裝空間后的高度約為0.7m，室內(nèi)實(shí)際凈高約為6.9m，沒(méi)有達(dá)到室內(nèi)籃球場(chǎng)最低7m的凈高要求，無(wú)法滿足建筑的使用功能需求，故不采用此方案。

方案二、三的桁架結(jié)構(gòu)均結(jié)合室內(nèi)風(fēng)管的布置調(diào)整了節(jié)間長(zhǎng)度、取消了部分豎桿，使風(fēng)管在桁架高度范圍內(nèi)通過(guò)，不占用凈高，實(shí)際室內(nèi)凈高約為7.2m，此兩種方案均可滿足安全性、適用性要求，且屋面鋪設(shè)的鋼筋桁架樓承板，結(jié)構(gòu)剛度大，施工階段無(wú)需搭設(shè)腳手架，降低了施工難度，加快了施工進(jìn)度。

方案三的立體桁架的弦桿計(jì)算長(zhǎng)度為0.9L（L為桿件的節(jié)間長(zhǎng)度）[4]，桿件截面主要由強(qiáng)度應(yīng)力比控制，除兩端外，中部不設(shè)平面外支撐桁架，其平面外穩(wěn)定性按格構(gòu)式壓桿驗(yàn)算可以滿足要求，經(jīng)計(jì)算，方案三的單位面積用鋼量低于方案二，經(jīng)濟(jì)性較好，且方案三的桁架榀數(shù)較少，屋面簡(jiǎn)潔、干凈，空間效果較方案二更優(yōu)。

綜合考慮并分析各方面因素后，最終設(shè)計(jì)采用方案三，即立體管桁架+鋼筋桁架樓承板。

5 結(jié)論

①在對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案選型時(shí)要綜合考慮安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性因素，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，必須要滿足建筑物實(shí)際使用需求，并兼顧經(jīng)濟(jì)性因素。

②針對(duì)本工程長(zhǎng)向跨度（X向）37.5～40.5m，短向跨度（Y向）23.6m 的大空間屋蓋結(jié)構(gòu)，對(duì)3種擬定的結(jié)構(gòu)方案的進(jìn)行計(jì)算并分析，方案三立體管桁架方案在滿足安全性、適用性要求的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性較方案二平面管桁架方案更優(yōu)，室內(nèi)空間效果更好，更美觀，且施工方便。