青少年戶外培訓(xùn)基地綜合體育館屋蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

何云明，許利文，李金哲，郭 赤，鄧開國，馮中偉

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041)

1 工程概況

青少年戶外培訓(xùn)基地綜合體育館項(xiàng)目位于十堰市張灣區(qū)，地上5層，無地下室，建筑高度約39.2m，屋蓋跨度約105m，1～5層層高分別為7.10，4.50，4.20，5.05，13.30m，建筑效果如圖1所示，場館用于各項(xiàng)球類比賽與培訓(xùn)。項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，抗震設(shè)防類別為乙類，建筑場地類別為Ⅱ類。綜合體育館看臺及其下方配套用房采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其框架和剪力墻抗震等級為二級；支撐鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的框架柱抗震等級為一級，鋼屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)，抗震等級為二級；外立面造型鋼結(jié)構(gòu)為上下端支撐的鋼網(wǎng)架，抗震等級為三級，鋼結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1]第10.2節(jié)相關(guān)要求。

圖1 綜合體育館建筑效果圖

為抵抗扭轉(zhuǎn)作用，在綜合體育館看臺及其下方配套用房的外圈框架間設(shè)置了一定數(shù)量的剪力墻，增加了抗扭剛度，減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移?？蚣苤鶠槠胀ㄤ摻罨炷林?，屋蓋的支座柱截面為圓形，直徑為1 200mm。其余柱截面為矩形，截面尺寸為800×800～1 000×1 000。剪力墻采用普通鋼筋混凝土墻體，剪力墻厚度為400mm。針對初設(shè)方案選定的單層網(wǎng)殼弦支穹頂結(jié)構(gòu)[2-4]方案，對該項(xiàng)目施工圖進(jìn)行了選型優(yōu)化。施工圖整體模型如圖2所示。

圖2 綜合體育館整體模型

2 初設(shè)方案

初設(shè)屋蓋方案采用單層網(wǎng)殼弦支穹頂結(jié)構(gòu)，跨度約105m。上部單層網(wǎng)殼為凱威特-聯(lián)方型，共9環(huán)，下部張拉整體部分由環(huán)向拉索及徑向拉索構(gòu)成，在第2，4，6，8圈環(huán)桿下分別布置4道環(huán)向拉索及徑向拉索，側(cè)面圍護(hù)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)架。撐桿高度由內(nèi)到外分別為4.5，5，5.5，5.5m。綜合體育館初設(shè)方案結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示，單層網(wǎng)殼弦支穹頂屋蓋初設(shè)模型如圖4所示, 側(cè)面圍護(hù)網(wǎng)架初設(shè)模型如圖5所示。

圖3 綜合體育館初設(shè)方案結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4 單層網(wǎng)殼弦支穹頂屋蓋初設(shè)模型

圖5 側(cè)面圍護(hù)網(wǎng)架初設(shè)模型

圖6 預(yù)應(yīng)力拉索布置圖

圖7 初設(shè)方案柱頂支座

圖8 綜合體育館施工圖優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)剖面

主體鋼結(jié)構(gòu)采用Q355B～Q390B鋼材，桿件截面為φ75.5×3.75～φ450×25。徑向及環(huán)向拉索采用1670級優(yōu)質(zhì)鍍層全封閉索，抗拉強(qiáng)度不小于1 670MPa，彈性模量不小于1.586×105MPa，預(yù)應(yīng)力拉索布置如圖6所示，環(huán)向拉索和徑向拉索截面尺寸以及初始索力如表1所示。本項(xiàng)目屋蓋結(jié)構(gòu)共設(shè)36個(gè)支座，位于36根直徑1 200mm的混凝土柱上，支座連接形式為徑向滑動、環(huán)向固定，滑動距離為±150mm，有效地釋放屋蓋在溫度荷載及索預(yù)拉力下的變形。外側(cè)圍護(hù)網(wǎng)架共設(shè)84個(gè)支座(柱頂36個(gè)、柱底側(cè)48個(gè))，柱頂支座設(shè)置在36根直徑1 200mm的混凝土柱牛腿上，與弦支穹頂屋蓋完全脫開，初設(shè)方案的柱頂支座如圖7所示。

3 施工圖優(yōu)化設(shè)計(jì)

施工圖階段對屋蓋中間區(qū)域(單層網(wǎng)殼轉(zhuǎn)折點(diǎn)以內(nèi))采用單層網(wǎng)殼，布置形式為凱威特-聯(lián)方型，單層網(wǎng)殼轉(zhuǎn)折點(diǎn)以外屋蓋范圍采用懸挑桁架+環(huán)向桁架對屋蓋整體剛度進(jìn)行加強(qiáng)[5]，同時(shí)避免單層網(wǎng)殼轉(zhuǎn)折點(diǎn)處受力集中，外側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)架，外側(cè)網(wǎng)架與弦支穹頂屋蓋連接成一個(gè)整體。綜合體育館施工圖優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)剖面如圖8所示，施工圖模型如圖9所示。

通過前述對初設(shè)方案的分析，屋蓋單層網(wǎng)殼弦支穹頂中上層網(wǎng)殼存在轉(zhuǎn)折線，以及屋蓋與外圍護(hù)網(wǎng)架各自獨(dú)立，使結(jié)構(gòu)傳力路徑復(fù)雜，屋蓋冗余度較差，對結(jié)構(gòu)安全和整體性、穩(wěn)固性是偏不利的。所以在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)有必要對傳力路徑與整體剛度進(jìn)行優(yōu)化。從改善傳力途徑和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性兩個(gè)方面，采取了以下優(yōu)化措施：1)上層網(wǎng)殼轉(zhuǎn)折線到支座范圍的單層網(wǎng)殼改為內(nèi)懸挑桁架，加上懸挑末端的環(huán)向桁架(環(huán)向桁架位置示意見圖10)，作為中部網(wǎng)殼和下層索桿的支座。2)懸挑桁架支座端向外側(cè)延伸，與外立面網(wǎng)架連成整體(施工圖優(yōu)化的柱頂支座設(shè)計(jì)見圖11)，立面造型由建筑幕墻完成。通過分析計(jì)算，這類措施有效改善了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的整體穩(wěn)定性，屋蓋抵抗荷載和地震作用的能力得到明顯改善，也節(jié)約了鋼材用量。

初設(shè)方案與施工圖優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)索參數(shù)對比 表1

圖9 綜合體育館施工圖模型

圖10 環(huán)向桁架位置示意

圖11 施工圖優(yōu)化的柱頂支座設(shè)計(jì)

4 初設(shè)方案與施工圖優(yōu)化方案的分析結(jié)果對比

初始態(tài)找形完成后，初設(shè)方案與施工圖優(yōu)化方案的索預(yù)應(yīng)力值、索最大內(nèi)力以及索最大內(nèi)力與破斷力比值如表1所示。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋跨中以及上弦轉(zhuǎn)折處最大豎向位移(恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)值組合)，見表2。初設(shè)方案與施工圖優(yōu)化方案在恒載+滿跨活載以及恒載+半跨活載作用下的結(jié)構(gòu)前四階線性屈曲分析對比，見表3。

恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)值組合下最大豎向位移/mm 表2

結(jié)構(gòu)前四階屈曲模態(tài)對比 表3

初設(shè)方案與施工圖優(yōu)化方案的幾何非線性屈曲分析安全系數(shù)K[6]對比，見表4。采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行雙非線性屈曲分析，網(wǎng)殼構(gòu)件采用梁單元Beam188，撐桿采用兩端鉸接的桿單元Link8，拉索采用只受拉的索單元Link10[7-8]，對比結(jié)果見表5。

幾何非線性屈曲分析安全系數(shù)K 表4

雙非線性屈曲分析安全系數(shù)K 表5

從表1～5可知，施工圖優(yōu)化方案有效改善了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的整體穩(wěn)定性，屋蓋抵抗荷載的能力得到明顯改善。同時(shí)屋蓋在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下最大豎向位移相應(yīng)減少，節(jié)約了預(yù)應(yīng)力索用量。

5 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)

經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，初設(shè)方案用鋼量(Q355，Q390及密封索)為1 505.7t，施工圖優(yōu)化方案用鋼量(Q355和密封索)為1 284.0t，具體用鋼量對比如表6所示，按屋蓋投影面積11 465m2、側(cè)面網(wǎng)架投影面積8 390m2進(jìn)行計(jì)算，初設(shè)方案整體鋼結(jié)構(gòu)用鋼量為75.83kg/m2(其中屋蓋部分為114.30kg/m2)；施工圖優(yōu)化方案的整體鋼結(jié)構(gòu)用鋼量為64.67kg/m2(其中屋蓋部分為92.47kg/m2)。初設(shè)方案支座總數(shù)為120個(gè)(柱頂為72個(gè))，施工圖優(yōu)化方案的支座總數(shù)為72個(gè)(柱頂為36個(gè))?？傮w來說，施工圖優(yōu)化方案相對初設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更為良好。

圖12 拆除不同桿件位置示意圖

鋼結(jié)構(gòu)用鋼量對比/t 表6

6 施工圖優(yōu)化方案的鋼結(jié)構(gòu)整體抗連續(xù)倒塌驗(yàn)算

本項(xiàng)目安全等級為一級，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有在偶然作用發(fā)生時(shí)適宜的抗連續(xù)倒塌能力。本項(xiàng)目按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[9]第3.12.3節(jié)規(guī)定，抗連續(xù)倒塌能力可采用拆除重要構(gòu)件，對剩余結(jié)構(gòu)的承載力與變形進(jìn)行計(jì)算分析是否滿足剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件效應(yīng)設(shè)計(jì)值；并結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范》(CECS 392—2014)[10]第4.4.15條規(guī)定，弦支穹頂結(jié)構(gòu)宜采用非線性動力方法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌計(jì)算，且應(yīng)計(jì)入大變形。斷索分析采用非線性動力法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目在進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，針對加強(qiáng)后的弦支穹頂結(jié)構(gòu)屋蓋分別拆除了以下重要桿件進(jìn)行計(jì)算分析：拆除屋蓋環(huán)向弦桿、拆除屋蓋徑向弦桿、拆除屋蓋下索豎向撐桿、拆除屋蓋下環(huán)向拉索、拆除某一柱頂支座，拆除桿件位置示意圖見圖12。拆除重要桿件后，采用彈性靜力方法分析剩余桿件的內(nèi)力與變形，屋蓋剩余桿件最大應(yīng)力比見表7，8。

拆除屋蓋部分桿件后屋蓋剩余桿件最大應(yīng)力比 表7

拆除支座后屋蓋剩余桿件最大應(yīng)力比 表8

分別斷開工況1～工況4環(huán)向拉索后，屋蓋在斷索區(qū)域結(jié)構(gòu)桿件向斷索方向略微傾斜，結(jié)構(gòu)通過徑向拉索、豎向撐桿及斜向鋼拉桿的拉結(jié)作用達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)，屋蓋整體變形未持續(xù)增大，屋蓋最大豎向變形(工況3)約為207.30mm(撓度為1/507)，斷開環(huán)向拉索后相鄰區(qū)域的部分徑向拉索退出工作，上部網(wǎng)殼部分桿件進(jìn)入彈塑性階段，局部變形較大，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)連續(xù)性倒塌，斷索后屋蓋最終豎向位移見圖13。結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后各圈環(huán)向拉索與徑向拉索最大內(nèi)力與破斷力的比值見表9。

以上抗連續(xù)倒塌分析結(jié)果表明：

(1)屋蓋弦支穹頂在分別拆除屋蓋環(huán)向弦桿、屋蓋徑向弦桿、豎向撐桿、支座的情況下，在規(guī)范規(guī)定的作用力作用下，主要構(gòu)件都能滿足規(guī)范要求，施工圖優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仍具有較好的冗余度。在拆除區(qū)域周邊構(gòu)件以及剩余其他構(gòu)件的承載力仍有較大富余，結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵構(gòu)件拆除后不會發(fā)生連續(xù)倒塌。

從內(nèi)到外各圈環(huán)向拉索與徑向拉索最大內(nèi)力與破斷力比值 表9

(2)在分別斷開每一環(huán)向拉索情況下，屋蓋弦支穹頂結(jié)構(gòu)變形增大，拆除環(huán)索區(qū)域部分周邊桿件進(jìn)入彈塑性階段，但最終在徑向拉索、豎向撐桿及斜向拉桿的拉結(jié)作用下最終處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生連續(xù)倒塌破壞，滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)論

(1)施工圖優(yōu)化方案將外側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與弦支穹頂屋蓋結(jié)合連接成整體，符合建筑選型與室內(nèi)裝飾美學(xué)效果，并通過懸挑桁架和環(huán)向桁架加強(qiáng)后，大大提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，同時(shí)很大程度上節(jié)約了用鋼量、支座數(shù)量，節(jié)省了工程造價(jià)。

(2)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性加強(qiáng)，冗余度增加，在節(jié)省工程造價(jià)的同時(shí)，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)連續(xù)性倒塌，滿足規(guī)范要求，施工圖優(yōu)化設(shè)計(jì)安全、合理。