王智勤

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川成都 610041)

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某體育館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王智勤

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川成都 610041)

【摘要】某體育館下部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。通過采用合理的設(shè)計(jì)模型對(duì)屋蓋進(jìn)行分析，經(jīng)過計(jì)算比較，選擇安全、美觀、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。同時(shí)介紹了屋蓋結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分析及設(shè)計(jì)工作。

【關(guān)鍵詞】體育館；屋蓋結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)分析；節(jié)點(diǎn)分析

1工程概況

某體育館建筑總面積約3×104m2。依據(jù)建筑屋面造型和使用的需要，屋蓋分為左、右兩個(gè)主要區(qū)域。本工程位于7度區(qū)，基本地震加速度為0.1g，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，基

本雪壓為0.35 kN/m2。工程屋面荷載取值：屋面附加恒載1.0 kN/m2，屋面活載0.5 kN/m2，馬道荷載1.2 kN/m2?？紤]溫度荷載為升溫30℃，降溫30℃。鋼屋蓋平面及剖面見圖1。

圖1　鋼結(jié)構(gòu)平面及剖面(單位:mm)

2結(jié)構(gòu)體系

考慮建筑美學(xué)以及體育館的各種使用功能等因素，本工程下部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部采用鋼結(jié)構(gòu)形式。上部屋蓋方面，通過對(duì)網(wǎng)架、桁架以及張弦桁架等結(jié)構(gòu)體系的綜合比較，最終選擇桁架結(jié)構(gòu)形式。桁架結(jié)構(gòu)具有受力明確、布置靈活、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。本工程在10軸處將屋蓋分為兩個(gè)部分，分別由五榀立體桁架組成，最大跨度為64.8 m(2軸～10軸)，利用場(chǎng)地中部的2軸、10軸、15軸混凝土柱列作為桁架的支座；在1軸～3軸配合建筑立面的要求選用搖擺柱，在右側(cè)端頭進(jìn)行懸挑；在1/01軸處設(shè)置鋼桁架落地支座。經(jīng)過計(jì)算比較，當(dāng)主桁架間距考慮為16.2 m、矢高為3.5 m時(shí)，符合經(jīng)濟(jì)性的要求和建筑美觀的需求。

因左側(cè)區(qū)域鋼桁架跨度較大，如支座均考慮為鉸支座的形式，那么主桁架因受溫度應(yīng)力的影響而將在支座處產(chǎn)生較大的水平推力。特別是在10軸位置處，因本位置混凝土柱上部、中部分別設(shè)置了鉸支座，混凝土柱在不同高度處會(huì)受到左、右鋼桁架分別產(chǎn)生的水平推力，這對(duì)混凝土柱極為不利。同時(shí)，為抵抗推力而增大混凝土柱截面是不經(jīng)濟(jì)的，且影響建筑的使用功能。為改善這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)將10軸混凝土柱上部的支座形式改為滑動(dòng)支座形式，以釋放鋼桁架產(chǎn)生的水平推力，有效地改善了混凝土柱的受力情況。

本工程采取將有條件的檁條支座設(shè)置在混凝土梁、柱上(如A軸～E軸區(qū)域以及N軸～S軸區(qū)域)，這種方式相對(duì)于專門另外設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)作為檁條支座的方法更為節(jié)約。同時(shí)，為減小檁條因受溫度應(yīng)力的影響，而對(duì)主體鋼桁架及混凝土梁、柱造成不利影響，檁條兩側(cè)支座采用一端鉸接、一端滑動(dòng)的方式，以釋放溫度應(yīng)力。

3分析模型及內(nèi)力計(jì)算

本工程屋蓋采用MIDAS/Gen進(jìn)行計(jì)算分析，主桁架材質(zhì)選用Q345B。典型的荷載組合為：(1)恒載+活載；(2)恒載+活載+風(fēng)荷載；(3)恒載+活載+溫度荷載；(4)恒載+活載+風(fēng)荷載+溫度荷載；(5)恒載+活載+地震荷載。撓度控制為1/250以內(nèi)(懸挑部位控制在1/125以內(nèi))。

圖2、圖3為屋蓋結(jié)構(gòu)前2階振型，圖4為屋蓋結(jié)構(gòu)在1.2恒載+1.4活載工況下應(yīng)力圖，圖5、圖6分別為屋蓋結(jié)構(gòu)在恒載工況下和活載工況下位移曲線圖。分析結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，最大豎向位移出現(xiàn)在左側(cè)桁架部分，最大撓度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

圖2　屋蓋結(jié)構(gòu)第一階振型(T1=0.83 s)

圖3　屋蓋結(jié)構(gòu)第二階振型(T1=0.734 s)

圖4　屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖(1.2恒載+1.4活載)

圖5　屋蓋結(jié)構(gòu)位移曲線圖(恒載)

圖6　屋蓋結(jié)構(gòu)位移曲線圖(活載)

4支座節(jié)點(diǎn)

在分析模型中鉸節(jié)點(diǎn)均為理想鉸接節(jié)點(diǎn)(即認(rèn)為其可以各向自由轉(zhuǎn)動(dòng))，以釋放各個(gè)方向的彎矩。在實(shí)際情況中，為了與計(jì)算模型假設(shè)盡量一致，就需要采用萬向鉸支座的形式。但是由于萬向鉸支座成本較高，有時(shí)會(huì)采用“上下耳板加銷軸”支座形式，但是這種形式支座的實(shí)際受力情況與分析模型是不同的，可能出現(xiàn)平面外轉(zhuǎn)動(dòng)能力不足的情況。為避免此現(xiàn)象的出現(xiàn)，本工程的部分節(jié)點(diǎn)采用“上下耳板加向心關(guān)節(jié)軸承”的支座形式(圖7)。這種形式的支座解決了平面外轉(zhuǎn)動(dòng)能力不足的問題，但是此種形式的支座受力情況較為復(fù)雜，也難以用現(xiàn)有公式進(jìn)行計(jì)算。為考察此影響，本工程采用了MIDAS/FEA有限元程序?qū)Υ祟惞?jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖8所示。通過分析，本種形式支座滿足設(shè)計(jì)的需求。

圖7　上下耳板加向心關(guān)節(jié)軸承

圖8　1倍受壓荷載應(yīng)力圖

5結(jié)束語

(1)體育館工程通常尺度較大，各方面的影響因素也較多，需要通過結(jié)構(gòu)方案分析，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。

(2)設(shè)計(jì)需要在安全的前提下，全面考慮建筑、設(shè)備等專業(yè)的綜合需求，通過精心設(shè)計(jì)以達(dá)到美觀、節(jié)約等方面的要求。

(3)應(yīng)考察實(shí)際情況與計(jì)算分析模型可能存在不一致的因素，并采取手段以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JGJ 7-2010 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[作者簡(jiǎn)介]王智勤 (1984～)，男，碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號(hào)】TU323.4

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-10-13