劉毛方，萬(wàn)金玉，孟磊

（1.安徽省金田建筑設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 工程概況

天長(zhǎng)市全民健身中心項(xiàng)目包含體育場(chǎng)、體育健身綜合館、配套商業(yè)以及室外市民健身運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地。體育館總建筑面積37926m，內(nèi)設(shè)4295座乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體育館及其訓(xùn)練館，一個(gè)8泳道50m×21m尺寸標(biāo)準(zhǔn)游泳池和一個(gè)戲水池。地下一層,地上局部三層，屋蓋完成面最高點(diǎn)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(yùn)會(huì)的比賽場(chǎng)館之一。

圖1 天長(zhǎng)市全民健身中心體育館

體育館主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋和幕墻骨架采用鋼結(jié)構(gòu)。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(gòu)，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(gòu)，上部與網(wǎng)架的焊接球節(jié)點(diǎn)滑動(dòng)連接，下部支座位于二層大平臺(tái)的框架梁上。鋼結(jié)構(gòu)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(xùn)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(gòu)平面布置圖及剖面圖

每側(cè)樓蓋均設(shè)置了十二個(gè)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(zhǎng)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(dá)63.5。由于圓柱柱頂為屋頂大跨度屋蓋的支座，考慮受力復(fù)雜且為關(guān)鍵構(gòu)件，圓柱內(nèi)均增設(shè)型鋼。牛腿的具體布置詳見圖2。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 結(jié)構(gòu)的選型

大跨度樓蓋常用的結(jié)構(gòu)方案有型鋼梁、預(yù)應(yīng)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(duì)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(gòu)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(huì)使得桁架下弦與柱子錯(cuò)位無(wú)法連接，考慮單榀桁架為類似簡(jiǎn)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(jì)算高度2.7m。單榀桁架計(jì)算簡(jiǎn)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(yù)埋板與混凝土柱牛腿連接。這樣鋼桁架端部可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，可準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)支座的實(shí)際約束情況，同時(shí)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(shí)不脫落。也大大增加了結(jié)構(gòu)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(fèi)。

圖3 桁架平面計(jì)算簡(jiǎn)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(dòng)場(chǎng)地，部分設(shè)備房間的圍護(hù)墻（蒸壓加氣混凝土砌塊）直接砌筑在樓板上，設(shè)計(jì)時(shí)將此部分墻體線荷載折算為樓面附加活載考慮。無(wú)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(shè)計(jì)地震分組為第二組，抗震設(shè)防類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期Tg=0.40s，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)天長(zhǎng)地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度0.10g，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(zāi)條例》(2012修訂)的規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)地震烈度提高一檔取為7度0.15g?？拐鸬燃?jí)按照大跨度結(jié)構(gòu)取為二級(jí)。支撐桁架的混凝土柱性能化設(shè)計(jì)，按中震彈性計(jì)算結(jié)果配筋。單獨(dú)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)時(shí)阻尼比ξ＝0.02，下部混凝土結(jié)構(gòu)與上部鋼結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)ξ＝0.035。計(jì)算同時(shí)考慮水平和豎向地震作用，豎向地震反應(yīng)譜影響系數(shù)取為水平地震反應(yīng)譜影響系數(shù)的65%。

2.2.3 溫度作用

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)，天長(zhǎng)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(gòu)對(duì)氣溫變化較為敏感，對(duì)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(shè)計(jì)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(gòu)整體模型，鋼桁架在空間結(jié)構(gòu)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(dǎo)荷，樓板采用彈性樓板假定，柱計(jì)算考慮P-△效應(yīng)。

計(jì)算結(jié)果顯示桁架上下弦最大應(yīng)力比約為0.7，構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和寬厚比均滿足規(guī)范要求。桁架跨中標(biāo)準(zhǔn)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(shí)針對(duì)本項(xiàng)目復(fù)雜性采用MIDAS軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)整體計(jì)算復(fù)核，MIDAS計(jì)算結(jié)果與YJK軟件計(jì)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(shí)未能考慮支座的實(shí)際尺寸，無(wú)法準(zhǔn)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(jìn)行復(fù)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(zhǔn)確模擬將是結(jié)構(gòu)復(fù)核的關(guān)鍵控制因素。本文分析了3種不同的支座約束狀況，并對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(duì)比，詳見表1。

不同支座約束狀況的支座反力對(duì)比 表1

從表1中結(jié)果對(duì)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(shè)計(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鋼桁架及樓蓋設(shè)計(jì)

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(shè)次梁作為壓型鋼板的支座，下弦間設(shè)置的次梁作為下弦平面外的支撐，同時(shí)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(shè)備專業(yè)協(xié)調(diào)，設(shè)備的管道均從桁架上下弦桿間空隙敷設(shè)。常規(guī)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采用工廠相貫節(jié)點(diǎn)。桁架全跨分為2段，由工廠制作完畢后現(xiàn)場(chǎng)吊裝拼接。

3.2 支座設(shè)計(jì)

本項(xiàng)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(yù)埋板和牛腿設(shè)計(jì)帶來(lái)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(shè)置預(yù)埋板，通過節(jié)點(diǎn)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(yù)埋板，另一部分由側(cè)面節(jié)點(diǎn)板的螺栓直接傳給柱子。側(cè)面節(jié)點(diǎn)板設(shè)置的7個(gè)M20的A級(jí)螺栓可承擔(dān)約700kN的水平力，其余1500kN由牛腿承擔(dān)，牛腿配筋按此水平力復(fù)核。同時(shí)對(duì)應(yīng)柱子高度處施加水平力復(fù)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(zhǔn)確模擬支座的約束情況，實(shí)現(xiàn)支座端部的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，本項(xiàng)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(fù)雜牛腿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

混凝土牛腿受力復(fù)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(xiàng)目牛腿為空間異型構(gòu)件，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的牛腿公式無(wú)法準(zhǔn)確適用本項(xiàng)目。為確保結(jié)構(gòu)安全，在公式計(jì)算配筋的基礎(chǔ)上采用通用有限元軟件ABAQUS建立了三維實(shí)體模型復(fù)核。有限元法的優(yōu)點(diǎn)是可以從三維角度深入地分析構(gòu)件的受力機(jī)理，且計(jì)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(duì)于混凝土裂面行為的模擬較為準(zhǔn)確，適用于分析混凝土開裂后應(yīng)力-應(yīng)變空間不斷變化的受力情況。鋼材和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，且不考慮屈服后的強(qiáng)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?；炷良笆中弯摼捎肅3D20R六面體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元。型鋼表面設(shè)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(dòng)。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(dǎo)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(yīng)力云圖可以看出牛腿應(yīng)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(yīng)力為264MPa，均未屈服；混凝土最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.67×10-4。表明節(jié)點(diǎn)具有良好的延性，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(xiàng)目經(jīng)對(duì)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(gòu)體系。

②鋼桁架支座設(shè)計(jì)對(duì)溫度荷載很敏感，通過計(jì)算對(duì)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(fù)擔(dān)。

③本項(xiàng)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(zhǔn)確模擬支座的約束情況，實(shí)現(xiàn)了支座端部的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在大跨度結(jié)構(gòu)里應(yīng)推薦使用。

④針對(duì)復(fù)雜的混凝土節(jié)點(diǎn)，應(yīng)補(bǔ)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(gòu)安全。