巴中市體育中心大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

蔣一波

（中電建路橋集團(tuán)西部投資有限公司，成都 610041）

1 引言

巴中市體育中心是巴中市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，地處經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，占地面積達(dá)到了113 524m2，總體建筑面積在6×104m2以上，在整個(gè)建設(shè)過程中，分別涉及了體育場建設(shè)、地下結(jié)構(gòu)施工。根據(jù)對幾種結(jié)構(gòu)選擇的對比，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最為合適，且在整個(gè)結(jié)構(gòu)中不設(shè)伸縮縫，但要通過后澆帶和環(huán)向分段張拉預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在體育場屋蓋結(jié)構(gòu)外部，立面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)更為合適，有效滿足了體育場館的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)概況

體育中心的大跨度鋼結(jié)構(gòu)中，以看臺(tái)和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為主，從整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的劃分來看，看臺(tái)和停車場采用的是混凝土框架結(jié)構(gòu)。而屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中，單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的配合獲得了更為理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。在該大跨度鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)，懸挑跨度為45.5m。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)方案

3.1 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作

大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要保障設(shè)計(jì)效果，需做好前期的準(zhǔn)備性工作：（1）獲得有關(guān)的設(shè)計(jì)文件。鋼結(jié)構(gòu)施工圖、設(shè)計(jì)變更等設(shè)計(jì)文件都要及時(shí)提供給總承包方，總承包方在獲得這些文件以后，要將這些都及時(shí)發(fā)送給施工單位。（2）設(shè)計(jì)圖交底。交底是前期非常關(guān)鍵的工作，由業(yè)主方組織，設(shè)計(jì)單位要對技術(shù)交底的流程加以全面掌握，并將其全部流程加以記錄。（3）確定最終的設(shè)計(jì)要求。總承包方需在一定的時(shí)間范圍內(nèi)來收集其他各個(gè)部門對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分滿足這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使得各個(gè)細(xì)節(jié)性問題都能夠在設(shè)計(jì)方案中得以解決，設(shè)計(jì)方案審核通過以后，將最終的圖紙文件提交給施工單位，從而保證施工單位能夠依據(jù)這些設(shè)計(jì)要求來開展規(guī)范化的施工作業(yè)。（4）確定分段方案和臨時(shí)安裝措施。整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中包含的構(gòu)件相對較多，為使得安裝作業(yè)有序進(jìn)行，必須要開展分段安裝作業(yè)，安裝單位需嚴(yán)格考慮安裝方案和施工方案，與設(shè)計(jì)單位協(xié)商以后正式開始實(shí)施[1]。（5）圖紙答疑和會(huì)審。施工單位需結(jié)合最終所確定的方案，來全面掌握各個(gè)設(shè)計(jì)圖紙的細(xì)節(jié)，從分段可行性和運(yùn)輸可行性的角度，與有關(guān)的安裝施工人員做好全面協(xié)調(diào)，通過對構(gòu)件拆分順序、細(xì)部尺寸、焊接工藝與順序等的全面規(guī)劃，與安裝單位交流以后，確定最佳的現(xiàn)場安裝方案，將最終所確定的節(jié)點(diǎn)形式提交給設(shè)計(jì)單位審核與確認(rèn)。（6）深化圖紙?jiān)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則的編制，編制過程中要全面綜合多種設(shè)計(jì)要點(diǎn)、整合所有資料。（7）深化設(shè)計(jì)計(jì)劃的編制。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面類型、材質(zhì)分析

3.2.1 外部立面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

由于體育中心鋼結(jié)構(gòu)的特殊性，外部立面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)成復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工難度較大，其結(jié)構(gòu)中以單層網(wǎng)殼、入口桁架、桁架支撐柱為主。單層網(wǎng)殼是由弧形圓鋼管相貫形成的，而入口桁架的上下弦采用的是箱型彎扭構(gòu)件。

3.2.2 上部索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

上部索承網(wǎng)格作為大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中同樣包含了一些其他的結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力索、上部網(wǎng)格和支撐結(jié)構(gòu)是形成上部索承網(wǎng)格的關(guān)鍵。預(yù)應(yīng)力索主要采用的是環(huán)向索和徑向索，支撐結(jié)構(gòu)的存在使得索和上部網(wǎng)格可以有效連接起來，并起到重要的支撐作用，上部網(wǎng)格同樣是由弧形圓鋼管相貫形成的，索桿體系中的支撐構(gòu)件內(nèi)，上下節(jié)點(diǎn)之間只有保持了良好的連接性，才能夠使得整體結(jié)構(gòu)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。連接是用銷軸鉸接來實(shí)現(xiàn)的[2]。

3.2.3 外圈環(huán)梁及立柱

外圈環(huán)梁和立柱中，環(huán)梁和立柱是結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵要素。其中，環(huán)梁是由彎圓圓管所構(gòu)成的，立柱下部是支撐體系中的重要構(gòu)成，其直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且與外部網(wǎng)殼相貫連接起來，在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中起到了重要的支撐作用。

3.3 節(jié)點(diǎn)類型分析

巴中市體育中心的鋼結(jié)構(gòu)總體上呈現(xiàn)出曲面形狀，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特殊性、龐大性使得在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常多且種類繁多，不僅有索承網(wǎng)格相貫節(jié)點(diǎn)、立面網(wǎng)殼相貫節(jié)點(diǎn)，還存在徑向撐桿上部節(jié)點(diǎn)、外環(huán)立柱柱頂節(jié)點(diǎn)等，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用，節(jié)點(diǎn)之間的相互連接使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固[3]。對于結(jié)構(gòu)體系中的相貫節(jié)點(diǎn)，由于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)為曲面造型，使得相關(guān)人員在施工建設(shè)時(shí)，可以通過彎圓擬合來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的平滑過渡。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)建模

3.4.1 節(jié)點(diǎn)建模流程

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的種類繁多、數(shù)量龐大，各個(gè)連接構(gòu)件節(jié)點(diǎn)都存在性質(zhì)、種類的不同，節(jié)點(diǎn)建模過程中，要嚴(yán)格按照以下流程來開展：（1）根據(jù)工程的設(shè)計(jì)圖紙，明確掌握整個(gè)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)復(fù)雜構(gòu)件和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)位置，在此基礎(chǔ)上建立完整的模型，從而使得節(jié)點(diǎn)安裝信息符合實(shí)際的結(jié)構(gòu)特征；（2）嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)與施工荷載，對復(fù)雜構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行有限元分析，且要根據(jù)分析結(jié)果與設(shè)計(jì)單位有效溝通；（3）由于工廠加工和現(xiàn)場安裝條件的特殊性，有關(guān)人員需嚴(yán)格保障各個(gè)構(gòu)件的尺寸、位置的精確性，并選擇恰當(dāng)?shù)暮附臃绞?，進(jìn)行模型的檢查[4]。

3.4.2 網(wǎng)殼相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

體育中心的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)桿件的角度、位置都存在著一定的差異性，再加上在桿件相交處存在相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的壁厚加強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)作為各個(gè)桿件的交接處，與整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性存在緊密的關(guān)系。結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)需從兩方面來開展：（1）建筑造型是決定節(jié)點(diǎn)類型的關(guān)鍵因素。由于巴中市體育中心為曲面造型，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，彎圓形式的設(shè)計(jì)非常有效，在節(jié)點(diǎn)段獨(dú)立開展圓弧擬合設(shè)計(jì)，斜向主管率先進(jìn)行控制點(diǎn)圓弧擬合，再結(jié)合節(jié)點(diǎn)的長度指標(biāo)來適當(dāng)加厚[5]；（2）對于相似性高且存在不同的節(jié)點(diǎn)而言，在設(shè)計(jì)時(shí)最好選用參數(shù)化設(shè)計(jì)方式，一些工程企業(yè)已經(jīng)采用了AutoCAD軟件，設(shè)計(jì)出了深化軟件系統(tǒng)，在此該系統(tǒng)中可以充分實(shí)現(xiàn)相貫節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)連接，在系統(tǒng)內(nèi)集成全部的結(jié)構(gòu)信息。

3.4.3 外圈立柱頂部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

外圈立柱頂部節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)成，外部立面網(wǎng)殼和上部索承網(wǎng)格之間的分界是由外圈環(huán)梁和立柱來實(shí)現(xiàn)的，這一特殊結(jié)構(gòu)、連接方式下，外圈環(huán)梁和立柱位置處形成了多桿件、多接點(diǎn)、多形式的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)體育場館的總體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，立柱柱頂?shù)慕孛鎽?yīng)該設(shè)計(jì)在約1 400mm處，以通過這一截面設(shè)計(jì)來保障節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和連接的便捷性。柱頂與下部鋼立柱的連接過程中，需采用變截面椎管。

4 結(jié)語

近年來，隨著我國工程項(xiàng)目的增多，大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)在很多的工程中得到了有效應(yīng)用，但在這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大多都會(huì)遇到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大的問題。為保障大跨度鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，在設(shè)計(jì)施工的過程中，工程設(shè)計(jì)人員必須要從工程的實(shí)際設(shè)計(jì)出發(fā)，充分采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。