梁宸宇， 朱忠義， 白光波， 陳 一， 王 瑋， 孫桐海， 薛 原， 劉曉剛

(1 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100045； 2 中國建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013；3 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

1 項目概況

三亞國際體育產(chǎn)業(yè)園項目位于三亞市吉陽區(qū)，其中體育中心為產(chǎn)業(yè)園核心公共組團，包括體育場、體育館、游泳館等體育場館設(shè)施。三亞國際體育產(chǎn)業(yè)園體育場為復(fù)雜的甲級大型體育建筑，總建筑面積約8.7萬m2，可容納觀眾坐席4.1萬余座，建成后將作為第六屆亞洲沙灘運動會主會場。體育場下部結(jié)構(gòu)為觀眾看臺、疏散平臺及各功能用房，平面外輪廓近似五邊形，南北方向長約314m，東西方向?qū)捈s283m，看臺頂標高16.50～22.90m。體育場看臺上空覆蓋了完整的環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)罩棚。罩棚外輪廓為五邊形，內(nèi)輪廓近似橢圓形，其外輪廓南北方向最大約305m，東西方向約270m，內(nèi)側(cè)開口尺寸南北方向約172m，東西方向134m，最高點標高約46.00m[1]。三亞國際體育產(chǎn)業(yè)園整體建筑效果如圖1所示。

圖1 三亞國際體育產(chǎn)業(yè)園整體建筑效果圖

2 鋼結(jié)構(gòu)體系

三亞國際體育產(chǎn)業(yè)園體育場主體結(jié)構(gòu)由混凝土看臺結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)布置軸測圖見圖2。下部混凝土看臺結(jié)構(gòu)地上共四層，首層觀眾平臺層高6m，二、三層層高4.5m，頂部看臺層高隨看臺頂標高變化。鋼結(jié)構(gòu)由屋頂結(jié)構(gòu)和外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)組成，見圖3，4。屋頂結(jié)構(gòu)支承于外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈環(huán)梁上，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)支承于下部看臺結(jié)構(gòu)上。外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)外輪廓平面投影為不規(guī)則的倒角五邊形，五邊形最小邊長162.4m，最大邊長262.8m，屋頂中心開口為由四段圓弧組成的四心圓，開口短軸為134.0m，長軸為171.8m，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)與屋頂結(jié)構(gòu)交界為與中心開口相似的四心圓，短軸為224.0m，長軸為261.8m。屋頂最高點標高約46.00m。

圖2 整體結(jié)構(gòu)布置軸測圖

圖3 鋼結(jié)構(gòu)分解圖

圖4 鋼結(jié)構(gòu)平面布置圖

屋頂結(jié)構(gòu)支承于外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)梁，由輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)和索、鋼拱支撐的PTFE膜結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)體系如圖5所示。輪輻式索桁架由徑向索桁架以及內(nèi)拉環(huán)構(gòu)成，懸挑45m。索桁架共設(shè)52道，由上部承重索和下部抗風(fēng)索以及二者之間的壓桿構(gòu)成。內(nèi)拉環(huán)由上下兩層環(huán)索構(gòu)成。膜拱與拱下拉索鉸接于上徑向索(抗風(fēng)索)，膜四邊接于相鄰的徑向索及鋼拱上。索桁架結(jié)構(gòu)中，徑向索和環(huán)索為1 570級封閉索，撐桿為圓鋼管。上層環(huán)索采用8根φ80索雙層并排；下層環(huán)索采用8根φ110索雙層并排；上徑向索采用φ85(南北側(cè))和φ75(東西側(cè))兩種規(guī)格；下徑向索采用φ120(南北側(cè))和φ105(東西側(cè))兩種規(guī)格；內(nèi)環(huán)交叉索采用碳纖維增強復(fù)合材料拉索(簡稱CFRP索)，索體有效截面面積為1 200mm2，公稱破斷力不低于2 880kN。膜結(jié)構(gòu)中，鋼拱截面為圓鋼管，鋼拱下采用φ25環(huán)向拉索。

圖5 屋頂索膜結(jié)構(gòu)體系示意圖

外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)屋頂由內(nèi)環(huán)梁、外環(huán)梁、交叉梁系構(gòu)成平面環(huán)桁架結(jié)構(gòu)，屋頂支承結(jié)構(gòu)由72根內(nèi)環(huán)V型鋼柱、72根外環(huán)鋼柱及局部設(shè)置的18根中部支撐鋼柱組成。鋼柱通過固定鉸支座連接于下部看臺混凝土結(jié)構(gòu)的不同樓層，鋼柱與屋頂環(huán)桁架均采用鉸接連接，結(jié)構(gòu)體系如圖6所示。內(nèi)環(huán)梁采用Q345GJC級鋼材，其他構(gòu)件采用Q355B級鋼材。內(nèi)環(huán)梁采用□1 300×1 500×50×50箱形截面，外環(huán)梁采用□1 200×1 200×20×35箱形截面；交叉梁系采用箱形截面，梁高800～1 200mm，梁寬400～600mm。內(nèi)環(huán)V型鋼柱采用φ1 200×20圓鋼管，外環(huán)柱采用魚腹式箱形變截面□(900～1 500～900)×600×20×20，中部支撐柱采用φ600×20圓鋼管。

圖6 外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)體系示意圖

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)選型

本項目屋頂輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)邊界為近似橢圓形，環(huán)梁在索拉力作用下，受力和變形不均勻。環(huán)梁除承受較大軸向壓力外，水平方向還承受較大彎矩，導(dǎo)致環(huán)梁截面寬度大，經(jīng)濟性不好，并且影響建筑效果和使用。

利用外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)共同受力支承內(nèi)側(cè)的索桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種鉸接柱支承的水平桁架結(jié)構(gòu)體系[2]，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)體系由水平環(huán)桁架、內(nèi)環(huán)柱以及外環(huán)柱組成。

圖7 鉸接柱支承的水平桁架結(jié)構(gòu)體系

在內(nèi)環(huán)梁和外環(huán)梁之間布置交叉梁系，形成水平放置的平面環(huán)桁架，通過水平環(huán)桁架的整體作用，由內(nèi)、外兩道環(huán)梁共同承擔(dān)由索桁架結(jié)構(gòu)拉力引起的軸向壓力，減小環(huán)梁截面。交叉梁系與內(nèi)環(huán)梁相交于索桁架端點，使索拉力作用在水平環(huán)桁架的弦腹桿節(jié)點處，這樣就減少了索拉力對內(nèi)環(huán)梁產(chǎn)生的水平方向次彎矩，進一步減小了內(nèi)環(huán)梁截面。最終采用環(huán)梁的最大截面尺寸僅為1.3m×1.5m。

內(nèi)、外環(huán)柱均為兩端鉸接柱。內(nèi)環(huán)鉸接柱呈V型布置，相鄰兩對V型鋼柱的柱頂交于內(nèi)環(huán)梁的同一點，形成鋸齒狀首尾相接的環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)，成為整個鋼結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系。外環(huán)鉸接柱單根獨立布置，作為搖擺柱，承擔(dān)外環(huán)屋頂部分豎向荷載和外立面風(fēng)荷載，不作為抗側(cè)力構(gòu)件。所有支承柱均為兩端鉸接柱，受力簡單。柱頂與環(huán)梁鉸接可避免環(huán)梁因柱端彎矩而受扭，即環(huán)梁與柱交點不必布置交叉梁，因此可使索桁架及交叉梁系的布置不受柱位的影響，結(jié)構(gòu)布置靈活。柱底鉸接對下部支承結(jié)構(gòu)不傳遞彎矩，使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理。

3.2 形態(tài)分析

對索膜結(jié)構(gòu)首先需進行形態(tài)分析，得到合理的結(jié)構(gòu)初始態(tài)。初始態(tài)包含屋頂結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力組合作用下的索力分布以及相應(yīng)的幾何位形，其中幾何位形應(yīng)與預(yù)期的建筑幾何相符。形態(tài)分析是索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要工作和核心內(nèi)容，形態(tài)分析得到的包含結(jié)構(gòu)位形和內(nèi)力信息的初始態(tài)是后續(xù)荷載態(tài)分析和施工過程分析的基礎(chǔ)[3]。

本項目對索膜結(jié)構(gòu)進行找形分析時，首先在剛性邊界條件下，使零狀態(tài)和初始態(tài)下徑向索和環(huán)索的節(jié)點位置與建筑幾何一致，即索在預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重的共同作用下不產(chǎn)生變形。然后考慮外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)提供的彈性邊界影響，對索膜結(jié)構(gòu)的幾何及預(yù)應(yīng)力進行修正，使初始態(tài)下的徑向索、環(huán)索節(jié)點位置以及拉索預(yù)應(yīng)力分布與剛性邊界條件一致。

通過形態(tài)分析得到的初始態(tài)鋼結(jié)構(gòu)變形如圖8所示。由圖8可以看到，屋頂索結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生變形，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)最大位移為61mm。初始態(tài)屋頂結(jié)構(gòu)位形與目標建筑幾何完全一致。

圖8 初始態(tài)下的鋼結(jié)構(gòu)變形云圖/m

3.3 荷載態(tài)分析

在3.2節(jié)形態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)初始態(tài)基礎(chǔ)上，進行鋼結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析，對結(jié)構(gòu)變形和承載力進行驗算。驗算外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)變形時，計算分析屋頂在恒荷載與活荷載標準組合、恒荷載與風(fēng)荷載標準組合下的撓度，計算分析支承結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地震作用標準值下的柱頂側(cè)移和外環(huán)柱在風(fēng)荷載標準值下的撓度。驗算屋頂索膜結(jié)構(gòu)變形時，計算分析恒荷載與活荷載標準組合、恒荷載與風(fēng)荷載標準組合下的撓度[4]。

控制工況下，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)各部位的撓度和柱頂側(cè)移分別見表1、表2。由表1，2可見，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)撓度及柱頂位移滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017—2017)規(guī)定的結(jié)構(gòu)變形容許值要求。

控制工況下的外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)撓度 表1

控制工況下的外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)柱頂側(cè)移 表2

控制工況下，索桁架結(jié)構(gòu)懸挑端豎向位移絕對值及其與懸挑長度的比值見表3。由表3可見，無論在上吸還是下壓主導(dǎo)的荷載組合作用下，索桁架結(jié)構(gòu)懸挑端豎向位移均滿足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)規(guī)定的變形容許值要求。

控制工況下的索桁架結(jié)構(gòu)懸挑端豎向位移 表3

根據(jù)《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 158∶2015)[5]，膜結(jié)構(gòu)相對于兩側(cè)邊界支承的位移不得大于該膜對應(yīng)跨度的1/15。本項目膜結(jié)構(gòu)通過索和小拱被分割為小區(qū)塊，圖9為膜結(jié)構(gòu)名義跨度示意。經(jīng)計算，屋頂膜結(jié)構(gòu)各區(qū)塊的最大撓跨比1/21，滿足1/15的限值要求。

圖9 膜結(jié)構(gòu)名義跨度示意

對外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了非抗震組合和抗震組合下的承載力驗算。構(gòu)件穩(wěn)定驗算時，構(gòu)件計算長度取值如表4所示。經(jīng)驗算，非抗震組合、小震組合作用下，內(nèi)環(huán)梁、內(nèi)環(huán)V型鋼柱等關(guān)鍵構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.73，一般構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.8；中震彈性組合作用下，所有構(gòu)件應(yīng)力比均不大于1.0；大震不屈服組合作用下，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力比均不大于1.0。結(jié)果表明，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力能夠滿足設(shè)定的控制標準和性能目標。

外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算長度取值 表4

根據(jù)整體鋼結(jié)構(gòu)模型在各工況下的非線性計算結(jié)果，對索結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力進行包絡(luò)設(shè)計。表5為拉索的安全系數(shù)。由表5可見，環(huán)索、徑向索等主索最低安全系數(shù)為2.42，內(nèi)環(huán)交叉索、膜拱下拉索、膜結(jié)構(gòu)邊索等次索最低安全系數(shù)為2.15，均滿足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)的要求。撐桿在各工況下的最大應(yīng)力比為0.7。結(jié)果表明，索結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力滿足要求。

拉索安全系數(shù) 表5

利用整體鋼結(jié)構(gòu)模型非線性計算的結(jié)果，對膜結(jié)構(gòu)的承載力進行驗算。根據(jù)《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 158∶2015)[5]，在第一類荷載組合下，膜結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為18.7MPa，小于此時膜結(jié)構(gòu)的抗拉強度設(shè)計值21.75MPa。在第二類荷載組合下，膜結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為25.7MPa，小于此時膜結(jié)構(gòu)的抗拉強度設(shè)計值45.75MPa。結(jié)果表明，膜結(jié)構(gòu)承載力滿足要求。

3.4 整體穩(wěn)定性分析

作為索桁架結(jié)構(gòu)的支承體系，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)承受了很大的軸向壓力，避免失穩(wěn)破壞是本項目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的重點問題。為了研究鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能，可通過引入結(jié)構(gòu)初始缺陷，考慮幾何非線性和材料非線性進行全過程分析，得到結(jié)構(gòu)極限承載力。

采用ANSYS軟件對外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)整體模型進行分析。為了精確計算構(gòu)件的P-δ效應(yīng)，對每個鋼構(gòu)件進行了細分來模擬梁單元高次項的影響，以達到提高計算精度的目的。參考《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，將鋼構(gòu)件的初始缺陷設(shè)為構(gòu)件長度的1/1 000。為考慮材料非線性，將鋼材本構(gòu)關(guān)系定義為理想彈塑性模型。索結(jié)構(gòu)在工作中通常受拉，因此重點考慮鋼結(jié)構(gòu)在受壓后的屈曲，同時關(guān)注索力是否達到破斷力。

經(jīng)計算，整體鋼結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載組合作用下的極限承載力系數(shù)為3.7，對應(yīng)的環(huán)索節(jié)點荷載-位移全過程曲線如圖10所示。恒荷載與風(fēng)荷載組合作用下整體鋼結(jié)構(gòu)的極限承載力系數(shù)最低值為3.1，相應(yīng)風(fēng)荷載方向為300°風(fēng)向角，對應(yīng)的交叉梁節(jié)點荷載-位移全過程曲線如圖11所示。在上述計算過程中，拉索索力均未達到破斷力。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性能滿足要求。

圖10 恒荷載+活荷載下的 環(huán)索節(jié)點荷載-位移曲線

圖11 恒荷載+風(fēng)荷載(300°)下的交叉梁節(jié)點荷載-位移曲線

3.5 抗連續(xù)倒塌分析

本項目拉索作為結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，承擔(dān)著較大荷載，一旦因突發(fā)事件導(dǎo)致斷索，可能引發(fā)周邊構(gòu)件連續(xù)破壞，乃至結(jié)構(gòu)整體倒塌。針對結(jié)構(gòu)中某一典型拉索發(fā)生偶然斷索的情況，利用ANSYS軟件的生死單元技術(shù)模擬拉索失效，采用瞬態(tài)動力分析方法進行斷索分析[6]，研究結(jié)構(gòu)在斷索后的動力響應(yīng)和抗倒塌性能。動力分析時長取20s。

分別模擬分析下徑向索(承重索)、下環(huán)索1/4截面、上環(huán)索1/4截面發(fā)生偶然斷索三種工況，限于篇幅僅列出下徑向索斷索動力分析結(jié)果,如圖12，13所示。三種工況分析結(jié)果表明，斷索對局部影響較大，對整體結(jié)構(gòu)影響不大，斷索后其余拉索的應(yīng)力均低于0.55倍鋼索的破斷應(yīng)力，仍處于彈性狀態(tài)，不會引起連續(xù)斷索導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌。

圖12 斷索節(jié)點位移時程曲線

圖13 斷索及相鄰下徑向索應(yīng)力時程曲線

3.6 施工次序?qū)?nèi)環(huán)梁的影響

當外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)施工安裝完成后再安裝索結(jié)構(gòu)時，內(nèi)環(huán)梁在豎向有V型鋼柱作為側(cè)向支撐，在水平方向有交叉梁系作為側(cè)向支撐，穩(wěn)定性較好。此時內(nèi)環(huán)梁的計算長度，在水平環(huán)桁架平面內(nèi)可取為不大于相鄰交叉梁端節(jié)間長度，在水平環(huán)桁架平面外可取為不大于相鄰V型鋼柱頂節(jié)間長度。

如索結(jié)構(gòu)安裝時，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)僅內(nèi)環(huán)梁、V型鋼柱安裝完成，此時內(nèi)環(huán)梁尚未與外環(huán)梁、交叉梁系形成水平環(huán)桁架，內(nèi)環(huán)梁因在水平方向缺少側(cè)向支撐而更容易沿該方向發(fā)生失穩(wěn)。在該施工過程荷載狀態(tài)下對其進行線性屈曲分析，得到內(nèi)環(huán)梁的最低階屈曲模態(tài)如圖14所示。

圖14 施工過程內(nèi)環(huán)梁最低階屈曲模態(tài)(特征值6.74)

由靜力荷載及屈曲特征值計算得到內(nèi)環(huán)梁的屈曲臨界荷載Pcr，再根據(jù)歐拉公式反算求得此時內(nèi)環(huán)梁計算長度l0[7]，l0約為兩倍V型鋼柱頂節(jié)間長度。施工過程內(nèi)環(huán)梁截面驗算時按此計算長度進行取值。

3.7 CFRP索應(yīng)用

目前索結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的拉索以鋼索為主，包括鋼絲束索體、鋼絞線索體、鋼絲繩索體等。鋼索本身的密度和彈性模量與鋼材較為接近。

為提高本工程輪輻式索桁架的整體剛度，在索桁架內(nèi)環(huán)沿全周設(shè)置了滿布的交叉索。這些內(nèi)環(huán)交叉索在抵抗內(nèi)環(huán)不均勻變形時承受較大的拉力，采用鋼索時需要較大的截面，由此帶來兩個問題：1)交叉索截面較大，會在索桁架懸挑端增加較大的自重，對結(jié)構(gòu)設(shè)計不利。2)截面較大的交叉索軸向剛度較大，會造成上、下環(huán)索內(nèi)力均勻性變差，而相鄰網(wǎng)格環(huán)索內(nèi)力的明顯差異會在環(huán)索索夾上產(chǎn)生較大不平衡力。索夾的抗滑移承載力無法滿足不平衡力的要求時，尚須增設(shè)平衡索等復(fù)雜的措施以抵抗上述過大的不平衡力。如果可采用一種比鋼索強度更高、重量更輕的拉索，則可減小索體截面和剛度、減輕自重，能夠有效解決上述問題。

碳纖維增強聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)是一種新型的高性能復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、耐疲勞等諸多優(yōu)異的力學(xué)性能[8]。為此，采用CFRP索代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索用于內(nèi)環(huán)交叉索[9]，設(shè)計參數(shù)要求見表6。索體采用平行板索，錨具采用耳板式錨具。錨具耳板與索體接觸一側(cè)加工為波形，以獲得足夠的夾持力，如圖15所示。將CFRP索應(yīng)用于本工程索桁架內(nèi)環(huán)交叉索，與采用傳統(tǒng)鋼索相比，索體有效截面積減小約40%，自重減輕約80%，并且因其較小的索體軸向剛度，減小了對環(huán)索內(nèi)力的影響，顯著降低了索夾承受的不平衡力，簡化了索夾構(gòu)造，省去了平衡索等抵抗不平衡力的附加措施。

圖15 CFRP索錨具形式

表6 CFRP索設(shè)計參數(shù)

3.8 節(jié)點設(shè)計

索桁架徑向索通過耳板與外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)梁連接，內(nèi)環(huán)梁通過銷軸節(jié)點同V型鋼柱頂鉸接連接。由于本項目V型鋼柱向體育場外傾斜，對于索耳板位于柱頂節(jié)點區(qū)的部位，柱端節(jié)點板沿結(jié)構(gòu)徑向設(shè)置會與徑向索耳板存在沖突，兩者夾角過小，導(dǎo)致節(jié)點區(qū)焊縫密集。為此，將柱端節(jié)點板沿結(jié)構(gòu)環(huán)向設(shè)置，即與徑向索耳板垂直相交，同時在柱端銷軸節(jié)點設(shè)置關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)V型鋼柱沿結(jié)構(gòu)徑向的轉(zhuǎn)動，如圖16所示。

對此類受力復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點采用有限元方法進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對環(huán)梁加勁肋設(shè)置的位置、數(shù)量和板厚進行了優(yōu)化。

索桁架內(nèi)環(huán)索索夾節(jié)點采用鑄鋼件，該鑄鋼件與徑向索連接位置的厚度最大達到190mm，如圖17所示。我國規(guī)范《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235∶2008)、《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 395—2017)對于G20Mn5等常用鑄鋼材料僅給出了鑄件厚度不大于100mm時的力學(xué)性能參數(shù)，對于厚度大于100mm的情況缺乏設(shè)計依據(jù)。參考歐洲規(guī)范BS EN 10293∶2015[10]，選用了G10MnMoV6-3材質(zhì)進行鑄鋼節(jié)點設(shè)計。根據(jù)BS EN 10293∶2005規(guī)定，G10MnMoV6-3材質(zhì)鑄件厚度在100～150mm之間時，屈服強度Rp0.2為380MPa、伸長率為28%；鑄件厚度在150～250mm時，屈服強度Rp0.2為350MPa、伸長率為18%，均優(yōu)于或接近G20Mn5材質(zhì)在鑄件板厚100mm時的屈服強度Rp0.2(300MPa)及伸長率(22%)，能夠滿足設(shè)計要求。

圖17 索桁架下環(huán)索索夾節(jié)點

4 結(jié)論

三亞國際體育產(chǎn)業(yè)園體育場鋼結(jié)構(gòu)體系由外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)、輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)、屋頂膜結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)跨度大，體型不規(guī)則，體系復(fù)雜，設(shè)計難度較大。

(1)設(shè)計了一種鉸接柱支承的水平桁架結(jié)構(gòu)體系，通過水平環(huán)桁架的整體作用減小了環(huán)梁截面，支承柱兩端鉸接，受力簡單，結(jié)構(gòu)布置靈活，同時使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理。

(2)通過形態(tài)分析，考慮外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)提供的彈性邊界影響，實現(xiàn)了索桁架結(jié)構(gòu)初始態(tài)位形與目標建筑幾何一致。在形態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)初始態(tài)基礎(chǔ)上，進行了鋼結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)位移和承載力均能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

(3)引入結(jié)構(gòu)初始缺陷，考慮幾何非線性和材料非線性進行全過程分析，得到鋼結(jié)構(gòu)極限承載力。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性能滿足要求。

(4)分別對下徑向索(承重索)、下環(huán)索1/4截面上環(huán)索1/4截面發(fā)生偶然斷索的三種工況進行了動力分析。結(jié)果表明，斷索對局部影響較大，對整體結(jié)構(gòu)影響不大，不會引起連續(xù)斷索導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌。

(5)考慮索結(jié)構(gòu)安裝時外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)僅內(nèi)環(huán)梁、V型鋼柱安裝完成的情況，通過線性屈曲分析得到內(nèi)環(huán)梁的屈曲臨界荷載，進而反算得到其計算長度，用于施工過程承載力驗算。

(6)將CFRP索代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索應(yīng)用于索桁架內(nèi)環(huán)交叉索，減輕了索結(jié)構(gòu)懸挑端的自重，減小了交叉索對環(huán)索內(nèi)力的影響，降低了索夾承受的不平衡力，簡化了索夾構(gòu)造，節(jié)省了平衡索等抵抗不平衡力的附加措施。

(7)對受力復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點進行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對節(jié)點構(gòu)造進行優(yōu)化設(shè)計。將G10MnMoV6-3鑄鋼材質(zhì)應(yīng)用于本工程，設(shè)計了強度和延性等均能滿足要求的索夾鑄鋼節(jié)點。