天長市全民健身中心體育館大跨度鋼桁架組合樓蓋設計

劉毛方，萬金玉，孟磊

（1.安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 工程概況

天長市全民健身中心項目包含體育場、體育健身綜合館、配套商業(yè)以及室外市民健身運動場地。體育館總建筑面積37926m，內(nèi)設4295座乙級標準體育館及其訓練館，一個8泳道50m×21m尺寸標準游泳池和一個戲水池。地下一層,地上局部三層，屋蓋完成面最高點28m。屋蓋整體成鉆石切割狀，建筑效果圖見圖1。體育健身綜合館是2022年安徽省第15屆全運會的比賽場館之一。

圖1 天長市全民健身中心體育館

體育館主體結(jié)構采用鋼筋混凝土框架結(jié)構，屋蓋和幕墻骨架采用鋼結(jié)構。屋蓋平面成圓形，直徑約116.0m，采用四角錐與三角錐結(jié)合的網(wǎng)架結(jié)構，厚度約3.5m。網(wǎng)架支座位于框架內(nèi)圈82.8m×63.0m的矩形柱網(wǎng)環(huán)梁和外圈圓形斜柱頂。幕墻骨架采用矩形管單層殼結(jié)構，上部與網(wǎng)架的焊接球節(jié)點滑動連接，下部支座位于二層大平臺的框架梁上。鋼結(jié)構支座由于受力需要采用了橡膠支座和成品抗震支座。其中訓練館(北)和游泳池(南)上方64.8m×27.0m的大跨度樓蓋。平面布置圖及典型剖面圖見圖2。

圖2 大跨度樓蓋結(jié)構平面布置圖及剖面圖

每側(cè)樓蓋均設置了十二個牛腿支座，又根據(jù)牛腿所在柱的形狀及尺寸將牛腿柱分為五類。其中KZ1、KZ2為矩形柱，邊長均為1.5 m。KZ3、KZ4為空間傾斜圓柱，直徑1.5m；KZ5為圓形，直徑2.0m，由兩側(cè)向中間合攏在柱頂合為叉形，與x軸夾角達63.5。由于圓柱柱頂為屋頂大跨度屋蓋的支座，考慮受力復雜且為關鍵構件，圓柱內(nèi)均增設型鋼。牛腿的具體布置詳見圖2。

2 結(jié)構計算分析

2.1 結(jié)構的選型

大跨度樓蓋常用的結(jié)構方案有型鋼梁、預應力梁、鋼梁組合樓蓋、鋼桁架組合樓蓋以及鋼網(wǎng)架組合樓蓋等。本工程大跨度樓蓋由于跨度大、荷載重，經(jīng)過方案對比并綜合考慮跨度、荷載和舒適度等因素最終選用鋼桁架組合樓蓋，作為樓面結(jié)構體系。桁架上、下弦及腹桿均采用熱軋寬翼緣H型鋼(Q355B)。但由于A軸交5軸、7～8軸、10軸均為空間斜柱且傾角較大，采用常規(guī)的等高度平行弦桁架會使得桁架下弦與柱子錯位無法連接，考慮單榀桁架為類似簡支梁受力，最終確定采用端部直接收頭的變高度桁架。桁架計算高度2.7m。單榀桁架計算簡圖見圖3。桁架支座放于成品抗震球鉸支座上，抗震支座通過預埋板與混凝土柱牛腿連接。這樣鋼桁架端部可自由轉(zhuǎn)動，可準確模擬結(jié)構支座的實際約束情況，同時成品抗震支座既可以承受豎向荷載，也具有抗水平力的性能，保證地震時不脫落。也大大增加了結(jié)構的安全性。樓面采用壓型鋼板組合樓蓋，可避免高、大空間高支模，有效縮短施工工期，大幅降低施工措施費。

圖3 桁架平面計算簡圖

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 恒活荷載

三層樓面使用功能為大眾健身房和活動場地，部分設備房間的圍護墻（蒸壓加氣混凝土砌塊）直接砌筑在樓板上，設計時將此部分墻體線荷載折算為樓面附加活載考慮。無隔墻區(qū)樓面恒載為3kN/m，有隔墻區(qū)樓面恒載為4kN/m。樓面活荷載為4kN/m。

2.2.2 地震作用

本工程的設計地震分組為第二組，抗震設防類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.40s，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)天長地區(qū)抗震設防烈度為7度0.10g，建筑抗震設防類別為標準設防類(座位數(shù)4295)，考慮體育館可能人流密集，根據(jù)《安徽省抗震減災條例》(2012修訂)的規(guī)定，設計時地震烈度提高一檔取為7度0.15g?？拐鸬燃壈凑沾罂缍冉Y(jié)構取為二級。支撐桁架的混凝土柱性能化設計，按中震彈性計算結(jié)果配筋。單獨計算鋼結(jié)構時阻尼比ξ＝0.02，下部混凝土結(jié)構與上部鋼結(jié)構整體計算時ξ＝0.035。計算同時考慮水平和豎向地震作用，豎向地震反應譜影響系數(shù)取為水平地震反應譜影響系數(shù)的65%。

2.2.3 溫度作用

根據(jù)《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)，天長地區(qū)的基本氣溫為 -6℃(最低月平均氣溫)；36℃(最高月平均氣溫)。由于鋼結(jié)構對氣溫變化較為敏感，對基本氣溫給予修正提高至：-10℃(最低)；40℃(最高)，暫定合攏溫度為：10±5℃，故設計溫度荷載取值為+30℃(溫升)；-25℃(溫降)。

2.3 內(nèi)力分析

利用北京盈建科軟件公司的YJK系列軟件建立了混凝土和鋼結(jié)構整體模型，鋼桁架在空間結(jié)構里建模完成。桁架端部與混凝土柱采用鉸接，壓型鋼板用蒙皮模擬導荷，樓板采用彈性樓板假定，柱計算考慮P-△效應。

計算結(jié)果顯示桁架上下弦最大應力比約為0.7，構件的長細比和寬厚比均滿足規(guī)范要求。桁架跨中標準組合下最大撓度為30mm，僅為跨度的1/800，滿足規(guī)范要求。同時針對本項目復雜性采用MIDAS軟件進行了結(jié)構整體計算復核，MIDAS計算結(jié)果與YJK軟件計算結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，體現(xiàn)出桁架截面選取合理。由于整體軟件建模時未能考慮支座的實際尺寸，無法準備確得出桁架的支座反力，因此本工程采用了3D3S軟件建立了一榀平面鋼桁架模型進行復核。由于鋼桁架兩端支座與混凝土柱耦合了線位移，故支座約束的準確模擬將是結(jié)構復核的關鍵控制因素。本文分析了3種不同的支座約束狀況，并對比了支座反力。狀況1為桁架兩端線位移全約束。狀況2為桁架兩端考慮柱子實際線剛度的彈性約束。柱彈性剛度通過在YJK空間模型里牛腿高度處施加桁架平面內(nèi)的單位水平力，再根據(jù)對應節(jié)點處的線位移反算得到。狀況3為施工期間先釋放桁架一端支座的平面內(nèi)線位移約束，待樓蓋上部全部恒載作用完畢后再約束。由于恒載下支座反力已有效釋放。該工況下桁架支座的平面內(nèi)實際反力近似等于桁架上部荷載僅有活荷載作用下的支座反力。最不利工況下不同支座約束狀況的支座反力對比，詳見表1。

不同支座約束狀況的支座反力對比 表1

從表1中結(jié)果對比可以看出，考慮柱的彈性剛度后，桁架支座反力Ry可降低46%，但是數(shù)值仍很大，支座設計存在巨大困難。在考慮施工期間的釋放后，桁架平面內(nèi)的支座反力Ry可再降低35%，由此可見采取一定的措施可有效降低正常使用期間的支座反力。

3 結(jié)構設計

3.1 鋼桁架及樓蓋設計

樓蓋采用130mm厚的組合樓蓋，樓承板采用了壓型鋼板。桁架上弦間設次梁作為壓型鋼板的支座，下弦間設置的次梁作為下弦平面外的支撐，同時也可作為樓蓋下部建筑吊頂?shù)闹鼾埞?。桁架上、下弦桿和腹桿均采用寬翼緣高頻焊H型鋼。由于游泳館上空吊頂后的有效高度需滿足7m的凈空，經(jīng)過與設備專業(yè)協(xié)調(diào)，設備的管道均從桁架上下弦桿間空隙敷設。常規(guī)的節(jié)點板螺栓連接由于桿件角度問題占據(jù)了較大有效空間，故決定桁架的節(jié)點采用工廠相貫節(jié)點。桁架全跨分為2段，由工廠制作完畢后現(xiàn)場吊裝拼接。

3.2 支座設計

本項目組合樓蓋跨度大、荷載重，雖然采用了施工期間的支座反力釋放，但在最不利荷載工況下，桁架的支座反力RY仍有2134kN。將給預埋板和牛腿設計帶來困難。故為有效抵抗沿桁架平面內(nèi)的水平力，在柱子側(cè)面設置預埋板，通過節(jié)點板與桁架連接。最不利工況下桁架的水平力，一部分通過小立柱傳給抗震支座的預埋板，另一部分由側(cè)面節(jié)點板的螺栓直接傳給柱子。側(cè)面節(jié)點板設置的7個M20的A級螺栓可承擔約700kN的水平力，其余1500kN由牛腿承擔，牛腿配筋按此水平力復核。同時對應柱子高度處施加水平力復核柱配筋。牛腿支座詳見圖4。鋼桁架支座放置在牛腿上，為準確模擬支座的約束情況，實現(xiàn)支座端部的自由轉(zhuǎn)動，本項目采用了成品抗震球鉸支座，詳見圖5。

圖4 典型支座

圖5 抗震球鉸支座大樣

3.3 復雜牛腿節(jié)點設計

混凝土牛腿受力復雜，且由于KZ3～KZ5均為X、Y兩方向均傾斜的空間斜柱，詳見圖6。為便于牛腿與混凝土柱連接，牛腿也沿柱子傾斜方向放置，但牛腿頂部切成水平面放置抗震支座，故本項目牛腿為空間異型構件，《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》提供的牛腿公式無法準確適用本項目。為確保結(jié)構安全，在公式計算配筋的基礎上采用通用有限元軟件ABAQUS建立了三維實體模型復核。有限元法的優(yōu)點是可以從三維角度深入地分析構件的受力機理，且計算較為精確。

圖6 牛腿布置

混凝土采用彌散開裂模型。彌散開裂模型對于混凝土裂面行為的模擬較為準確，適用于分析混凝土開裂后應力-應變空間不斷變化的受力情況。鋼材和鋼筋的本構關系采用理想彈塑性模型，且不考慮屈服后的強度硬化。牛腿柱和牛腿均采用C40混凝土，鋼筋采用HRB400，柱內(nèi)型鋼采用Q355B鋼材。混凝土及十字型鋼均采用C3D20R六面體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元。型鋼表面設有栓釘，能夠在很大程度上保證混凝土和型鋼之間的共同工作，二者之間采用Tie約束。由于鋼筋和混凝土之間的滑移較小，故采用Embed約束。模型中牛腿柱的下端采用固定約束，上端僅約束水平向位移和z軸轉(zhuǎn)動。網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 牛腿網(wǎng)格

牛腿上的內(nèi)力由3D3S導出，最不利荷載工況為1.3恒載+1.5×0.7活載+1.5降溫。各種類型牛腿的內(nèi)力詳見表2。

牛腿荷載 表2

分析結(jié)果的應力云圖可以看出牛腿應力最大處出現(xiàn)在牛腿柱的彎起鋼筋和柱子縱向鋼筋上，鋼筋最大應力為264MPa，均未屈服；混凝土最大等效塑性應變?yōu)?.67×10-4。表明節(jié)點具有良好的延性，節(jié)點設計安全可靠。部分牛腿的PEEQ云圖與S.Mises云圖見圖8。

圖8 部分牛腿的PEEQ云圖與S.Mises云圖

4 結(jié)論

①鋼桁架組合樓蓋適用于跨度大，荷載重的大跨度樓蓋。本項目經(jīng)對比并綜合考慮跨度、荷載和舒適度等因素，最終選用鋼桁架組合樓蓋作為樓面結(jié)構體系。

②鋼桁架支座設計對溫度荷載很敏感，通過計算對比發(fā)現(xiàn)采取合理的施工順序可以有效地釋放桁架平面內(nèi)支座反力，減少正常使用期間的支座負擔。

③本項目采用的抗震型球鉸支座采用超高分子聚乙烯材料，不存在橡膠老化問題，安全可靠。本文準確模擬支座的約束情況，實現(xiàn)了支座端部的自由轉(zhuǎn)動，因此在大跨度結(jié)構里應推薦使用。

④針對復雜的混凝土節(jié)點，應補充三維有限元分析。通過合理的建模，材料之間選擇適合的接觸方式，并綜合考慮鋼筋和混凝土材料的云圖結(jié)果以確保結(jié)構安全。