凌 勁

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 540640）

1 工程概況

隨著全民健身的興起，各類體育場館如雨后春筍般出現(xiàn)，充分開挖了設計師們的想象力。本文所涉體育館集籃球、羽毛球、排球等活動于一體的多功能場館。整個體育館由屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和底部兩層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成。其中，屋蓋樣式是高低不等的連續(xù)波浪折線型，通過內(nèi)退懸挑等技術手法，營造出空中樓閣的靜謐和通透感。

該屋蓋水平投影面積為48m×49m，柱間距縱向9m，橫向42.8m。東西北面從柱子處水平投影均懸挑出去2.9m。折型屋蓋的最小波峰為3.59m，最大波峰為5.56m。體育館效果圖如圖1所示。

圖1 體育館效果圖

2 屋蓋結(jié)構(gòu)選型

屋蓋支撐在下部混凝土柱上，按最大跨度42.8m設計布置，首選平面桁架作為受力體系。

初步屋蓋結(jié)構(gòu)布置考慮折線形式加上波峰的高度，當加以利用將提升整個室內(nèi)空間感。將受力桁架放入波峰處，但底層建筑空間的功能性，限制了波峰處無法設置支撐柱子。此空間優(yōu)勢在本工程無法得到利用。只能將受力桁架放入低處。

本工程折型造型，考慮其類拱效應，屋蓋布置如圖2所示，整個體系平面桁架作為受力體系且加上隨形態(tài)走勢的穩(wěn)定桁架，檁條東西向布置。

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖（一）

圖2布置形式看上去很貼近屋蓋造型，但受力路徑不夠清晰，且折線型桁架布置過密。同時南北側(cè)的懸挑過多，局部薄弱趨勢明顯。南側(cè)桁架布置，由于下部支撐柱子緣由，顯得結(jié)構(gòu)布置不合理。

基于以上分析，進行協(xié)調(diào)與改造。將南側(cè)改成懸挑桁架來進行承載，北側(cè)的柱子在底部建筑允許的范圍內(nèi)盡可能的調(diào)整到邊緣處。減小穩(wěn)定桁架的數(shù)量，由于主要是為了穩(wěn)定平面桁架的平面外穩(wěn)定，因此把折線形式直接拉平與低處的受力桁架同標高。平面桁架作為受力體系，設計檁條首傳力至其上，且隨著折型屋蓋走勢變化，讓檁條在其內(nèi)部考慮類拱效應?？紤]空間以及經(jīng)濟性，將受力桁架調(diào)整成變截面形式。最終確定如圖3的布置形式。

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖（二）

3 設計標準及荷載

屋蓋結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。構(gòu)件的應力比控制在0.9以下。長細比、變形等其他設計要求依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范等進行［1］。

由于地域關系，本工程的荷載作用主要考慮恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用和溫度作用。恒荷載屋蓋系統(tǒng)及檁條等為1.0kN/m2?；詈奢d取0.5kN/m2。溫度作用升降30oC考慮。其余的荷載作用依據(jù)抗震規(guī)范、荷載規(guī)范以及地勘報告等進行取值［2-3］。荷載間的組合系數(shù)情況（注：該工程設計時使用規(guī)范為舊版規(guī)范），如表1所示。

表1 荷載工況組合系數(shù)

4 結(jié)構(gòu)計算分析

本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋部分采用軟件3D3S進行計算分析。為減弱鋼結(jié)構(gòu)屋蓋對下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響，以鉸接的形式與下端的混凝土進行連接。

4.1 分析模擬方法

為更大程度的實現(xiàn)屋蓋桁架的安全可靠設計，本工程考慮過兩種方法。

第一種分析方法：將屋蓋當成獨立單體進行分析，與下端的連接方式設計成支座，如圖4所示。此種方法將受力桁架剖分成一榀榀類似簡直梁，一端鉸接，另一端釋放沿桁架方向的位移。整體忽略側(cè)向位移的影響。

圖4 屋蓋結(jié)構(gòu)分析圖（一）

以上假定其實與屋蓋的實際支撐情況有出入，但考慮整體側(cè)向剛度對桁架受力分析影響并不是特別突出，且屋蓋在這種約束下沒有了桿件間以及下面更多的協(xié)調(diào)變形釋放，在桿件設計方面其實是偏于保守安全的。再加上操作的方便快捷，因此該方法具有一定的可取性。

第二種分析方法：采用變形協(xié)調(diào)方式，將屋蓋與下部混凝土作為一個整體進行分析，如圖5所示。

圖5 屋蓋結(jié)構(gòu)分析圖（二）

此種模擬方法貼近實際情況。屋蓋桁架變形帶來的內(nèi)力影響通過下部混凝土的協(xié)調(diào)變形進行緩沖抵消，整體屋蓋的結(jié)構(gòu)設計更顯得優(yōu)化性。因此本工程基于此方法進行了屋蓋結(jié)構(gòu)的計算分析。

4.2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

本工程根據(jù)經(jīng)濟安全施工方便等原則，主要受力桁架的截面選擇了方形管，腹桿采用了矩形管，最大截面250×250×16，最小截面100×250×6。雖然傳統(tǒng)的圓管在各方向上的抗彎抗扭性更優(yōu)，但實際施工當中相貫焊接是無法做到中心對接中心，形成偏心誤差，因此選擇矩形管能避免該問題，且在平面受力體系上矩形管能滿足剛度和穩(wěn)定要求。由于屋蓋波浪折型走勢，使得檁條水平跨度較大，桁架間的每條檁條構(gòu)成獨立的類拱受力體系，本工程采用H鋼，截面H248×124×5×8和H244×175×7×11。

對整體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，前四振型如圖6所示。從周期來看，整個體育館的結(jié)構(gòu)剛度較好。

圖6 屋蓋結(jié)構(gòu)前四振型圖

屋蓋結(jié)構(gòu)中的桿件驗算，主要考慮強度、變形和穩(wěn)定性的因素影響，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進行復核。該體育館的應力云圖如圖6所示。應力比均控制在0.9以下，最大應力比0.8，能夠滿足安全設計要求。

圖7 屋蓋結(jié)構(gòu)應力云圖

屋蓋結(jié)構(gòu)設計分析中除了剛度強度等因素，還需考慮整體變形。根據(jù)鋼規(guī)，在永久和可變荷載標準值情況下產(chǎn)生的撓度值不允許超過跨度1/400，該體育館的跨度42.8m，即本工程最大變形值為107mm。模擬分析中，屋蓋最大變形值為105mm，接近限值。為了改善屋蓋外觀和使用條件，一般將受力構(gòu)件進行預起拱處理。起拱數(shù)值根據(jù)實際需要而定，一般為恒載標準值加1/2活載標準值所產(chǎn)生的撓度值。本工程根據(jù)不同位置處受力桁架變形情況，進行50mm 到70mm大小的預先起拱處理。

5 結(jié)語

建筑形態(tài)的發(fā)展也促使了結(jié)構(gòu)設計的進步，同時建筑的功能空間一定程度上也制約了結(jié)構(gòu)布置的施展。在結(jié)構(gòu)設計中需要結(jié)合建筑造型且考慮結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)濟以及施工的方便性。

本文折型屋蓋的設計通過方案布置的對比，模擬方式的實現(xiàn)以及強度、剛度變形等角度出發(fā)，基本滿足以上要求。