某體育場看臺大懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

許 建 鑫

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510006)

1 工程概況

香港科技大學(xué)(廣州校區(qū))位于廣州南沙新區(qū)，規(guī)劃建筑面積達(dá)63.4萬m2，包含了中央科研設(shè)施區(qū)、生活服務(wù)街區(qū)、運動村、能源中心、宿舍區(qū)、設(shè)備區(qū)等六大功能區(qū)，建成后可以容納4 000名學(xué)生。體育場為學(xué)校運動村中的一棟單體建筑，地上建筑面積1 610 m2，可容納800人同時進(jìn)行體育活動，人們可以從體育場觀眾席上欣賞到外部的水景。體育場看臺為地上兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上空設(shè)有弧形懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，屋蓋最大高度為10.90 m，采用梁系懸挑結(jié)構(gòu)體系。

體育場建筑方案平面設(shè)計圖見圖1。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和地質(zhì)勘察資料，體育場抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類[1]；本地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓取0.65 kN/m2，地面粗糙度為B類，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋部分體型系數(shù)按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范表8.3.1中第29項(a)取值[2]。由于看臺鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的平面尺寸很大，應(yīng)考慮溫度變化在結(jié)構(gòu)中引起的內(nèi)力和變形，參考本地區(qū)歷年氣象資料，鋼結(jié)構(gòu)安裝時的初始溫度取25 ℃，最大正溫差取30 ℃，最大負(fù)溫差取-25 ℃。

本文在對看臺結(jié)構(gòu)整體建模分析設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用3D3S結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件對看臺上空的弧形懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行專項分析設(shè)計，計算得到鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的動力特性，驗算結(jié)構(gòu)極限承載力、正常使用極限狀態(tài)及穩(wěn)定性，并根據(jù)計算結(jié)果對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而確保鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計的安全性和合理性。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 看臺結(jié)構(gòu)

主看臺結(jié)構(gòu)大致呈矩形分布，長×寬=75.1 m×8.5 m，初始設(shè)計結(jié)構(gòu)高度為3.15 m。隨著設(shè)計方案深化，看臺結(jié)構(gòu)高度升高為6.15 m，看臺上空的大懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋也由原來V形鋼管柱支撐改為由看臺上鋼筋混凝土柱支撐，有效提高屋蓋抗側(cè)剛度。綜合考慮建筑使用功能、結(jié)構(gòu)荷載以及同類結(jié)構(gòu)做法，看臺主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并在承臺上設(shè)置厚度180 mm的底板平衡屋蓋傳給看臺的水平力。

體育場看臺結(jié)構(gòu)整體模型圖見圖2。

2.2 大懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)

為了更加貼合屋蓋建筑造型特點以及保證混凝土看臺上觀眾的觀賞效果，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋確定采用弧形梁系懸挑結(jié)構(gòu)體系。如圖3所示，弧形鋼箱梁沿看臺橫向?qū)ΨQ布置，梁的一端支撐在看臺后面兩排混凝土圓柱上，另一端向前最大懸挑14.0 m。同時在弧形鋼箱梁之間設(shè)置H型鋼梁將其連接成一個整體，加強(qiáng)大懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)整體性。

3 屋蓋結(jié)構(gòu)動力特性

采用3D3S軟件對大懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行單獨建模分析，結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼取0.02，計算得到前6階振型周期如表1所示。從計算得到結(jié)果可知，屋蓋前6階振型均以扭轉(zhuǎn)為主，具體表現(xiàn)為屋蓋懸挑端上下振動，符合結(jié)構(gòu)剛度特性。

表1 大懸挑屋蓋前6階周期結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)極限承載力及變形驗算

經(jīng)過多次建模試算，并結(jié)合屋蓋結(jié)構(gòu)受力特點，發(fā)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)影響較大的荷載為風(fēng)荷載和溫度荷載，并且屋蓋懸挑部分構(gòu)件應(yīng)力明顯小于屋蓋與混凝土柱相連部分。因此，為了保證屋蓋邊緣建筑造型設(shè)計效果，節(jié)約鋼材，屋蓋懸挑部分主框架梁梁高由1.05 m向外逐漸遞減到0.35 m，最終鋼構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示。從中可見，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在1.30恒載+1.50×0.70活載+1.50×0.60風(fēng)載+1.50溫度荷載作用下，鋼構(gòu)件應(yīng)力最大，但依然控制在0.85f以下(f為鋼材設(shè)計強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范取315 N/mm2)。

根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)附錄B規(guī)定，懸挑屋蓋在恒載和活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，位移不應(yīng)超過(14/125) m，即是112 mm[3]。經(jīng)計算，屋蓋在該荷載組合作用下最大負(fù)位移為-102.81 mm，符合正常使用要求，為了保證建筑觀賞效果，可在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段對主框架梁作預(yù)起拱處理，起拱大小為恒載作用下Z向位移，具體計算結(jié)果見圖5。

5 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算

為了保證鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體穩(wěn)定性，分析屈曲對結(jié)構(gòu)尤其構(gòu)件的影響，現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行線性屈曲分析，考慮初始荷載組合為1.0恒載+1.0活載，計算得到鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的第一階屈曲因子為54.31，滿足規(guī)范要求[3,4]。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋第一階屈曲模態(tài)如圖6所示。

6 擬補(bǔ)充專項分析

結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)特點和實際條件，參考國內(nèi)外同類型結(jié)構(gòu)，后續(xù)設(shè)計階段擬補(bǔ)充如下專項分析驗算。

6.1 風(fēng)洞試驗及風(fēng)荷載補(bǔ)充驗算

該鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為大懸挑大跨結(jié)構(gòu)，為風(fēng)荷載敏感體系，并且該項目所在位置為臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，因此后續(xù)設(shè)計可以考慮補(bǔ)充風(fēng)洞試驗，進(jìn)一步確定該結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，在鋼結(jié)構(gòu)屋蓋模型上施加風(fēng)洞試驗得到的等效靜力風(fēng)荷載進(jìn)行分析計算，對鋼構(gòu)件設(shè)計作進(jìn)一步校核，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性。

6.2 三向地震作用時程分析

該類大懸挑大跨結(jié)構(gòu)除了要考慮雙向地震作用外，豎向地震作用同樣不可忽視，因此擬補(bǔ)充三向地震作用彈性時程分析。根據(jù)《抗規(guī)》要求，可選擇兩條天然波和一條人工波進(jìn)行彈性時程分析，計算結(jié)果取包絡(luò)值。選擇地震波時，除了地震波頻譜特性、有效峰值以及持續(xù)時間要滿足規(guī)范要求外，時程分析得到的底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果相比，單條地震波底部剪力相差不大于35%，多條波平均值相差不大于20%。進(jìn)行地震時程分析工況輸入時，每條地震波分三個方向進(jìn)行輸入，輸入的加速度峰值比例根據(jù)規(guī)范取1∶0.85∶0.65。

7 結(jié)語

1)采用3D3S結(jié)構(gòu)分析軟件對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行建模計算，驗證了屋蓋結(jié)構(gòu)動力特性。分析結(jié)果顯示，屋蓋前6階振型均表現(xiàn)為屋蓋懸挑端的上下振動，符合結(jié)構(gòu)剛度特性。

2)分析大懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，計算得到的構(gòu)件應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3)對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行了線性屈曲分析，驗證了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，結(jié)果表明屋蓋結(jié)構(gòu)體系整體穩(wěn)定性良好。

4)結(jié)合結(jié)構(gòu)特性和工程實際條件，提出后續(xù)設(shè)計階段擬補(bǔ)充風(fēng)荷載作用專項分析和三向地震作用時程分析，進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性和合理性。