摘 要：廣州市花都東風(fēng)體育館采用肋環(huán)型穹頂結(jié)構(gòu)體系，由徑向空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在三角桁架外側(cè)的上下弦桿中布置預(yù)應(yīng)力拉索以平衡上部屋面結(jié)構(gòu)向外的水平力，減輕下部支撐結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)；受拉圈梁支承于環(huán)向布置的人字柱；通廊部分的主要結(jié)構(gòu)為Y型環(huán)向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。計(jì)算分析表明：環(huán)向預(yù)應(yīng)力的布置使屋蓋部分結(jié)構(gòu)基本處于結(jié)構(gòu)自平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)自重得以減輕，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效果。
關(guān)鍵詞：大跨度鋼結(jié)構(gòu)；環(huán)向預(yù)應(yīng)力；萬向銷軸鉸支座
1 工程概況
廣州市花都區(qū)東風(fēng)體育館工程建設(shè)場地位于花都汽車城風(fēng)神大道的南側(cè)，康體公園（飛鵝嶺）的北側(cè)。本工程主要包括比賽館和訓(xùn)練館(不設(shè)地下室)。比賽館地上四層，固定席位7780個(gè)；訓(xùn)練館為地上二層（二層樓面結(jié)構(gòu)標(biāo)高5.450m）。建筑基底面積21685㎡ ，總建筑面積37516㎡，工程總投資約4.1億。建成后還將與其南側(cè)計(jì)劃興建的康體公園融為一體，亞運(yùn)會(huì)后將成為花都中心城區(qū)西部文化體育中心，同時(shí)也可以成為汽車城工業(yè)產(chǎn)品的展覽展銷平臺(tái)，充分發(fā)揮該場館的賽后作用。
兩館下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由框架柱支承鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。本工程總用鋼量約2800t，其中比賽館約2200t，屋蓋主體結(jié)構(gòu)用鋼量87kg/㎡；訓(xùn)練館約600t，屋蓋主體結(jié)構(gòu)用鋼量75kg/㎡。
本文主要介紹比賽館的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。
圖1 花都東風(fēng)體育館效果圖
圖2 花都東風(fēng)體育館室內(nèi)實(shí)景圖
2 結(jié)構(gòu)選型及布置
花都東風(fēng)體育館比賽館平面為圓形，結(jié)構(gòu)雙軸對稱。由兩圈鋼管柱支承，分別分布在直徑為97.2m和116m的圓上，屋蓋高為33.1m。矢高約27m，內(nèi)圈矢跨比為1/8.8。屋蓋采用肋環(huán)型穹頂結(jié)構(gòu)體系，由徑向變高度、變厚度空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在外側(cè)的上下弦桿中布置預(yù)應(yīng)力拉索以平衡上部屋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力，減輕下部支撐結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)；底部受拉圈梁支承于環(huán)向布置的V字柱上，柱頂節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼件，柱腳采用銷軸支座，釋放徑向轉(zhuǎn)角；觀眾休息大廳主要結(jié)構(gòu)為Y型環(huán)向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。V字柱柱腳支撐于11.690m的混凝土圈梁上，Y型環(huán)向布置的人字柱支撐于下部5.450m混凝土平臺(tái)上。
訓(xùn)練館平面為圓形，結(jié)構(gòu)總高度17.6m，跨度56m，矢高11.5m，矢跨比1/5。因?yàn)橛?xùn)練館內(nèi)吊掛荷載無特殊要求且跨度未超60m，因此訓(xùn)練館屋蓋采用由徑向箱型鋼梁、環(huán)向箱型鋼梁和支撐組成單層空間球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。柱腳采用銷軸連接，徑向釋放轉(zhuǎn)角。
比賽館具體結(jié)構(gòu)布置如下圖3
圖3 花都東風(fēng)體育館鋼結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖
圖4 廣州市花都東風(fēng)體育館鋼結(jié)構(gòu)主桁架剖面圖
圖5 訓(xùn)練館基本受力單元
圖6 人字柱實(shí)景圖
3 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級
建筑結(jié)構(gòu)的安全等級：一級;結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0＝1.1。
建筑抗震設(shè)防類別：乙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。
建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火等級：二級.
3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。
3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載或作用
抗震設(shè)防基本烈度為6度，需根據(jù)擬建場地安評報(bào)告取用相應(yīng)的地震作用。
基本風(fēng)壓：50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.50kN/m2，用于正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算；100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.60kN/m2，用于承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算；地面粗糙度為B類；風(fēng)荷載作用取值依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)。計(jì)算中取其中8個(gè)風(fēng)向角作用下風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。
屋面附加恒載：0.65kN/㎡；
馬道荷載：包括馬道自重、強(qiáng)電燈具等；
屋面活荷載：0.5kN/m2；
對室內(nèi)超長的混凝土結(jié)構(gòu)取整體溫差±15°;
對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋取整體設(shè)計(jì)溫差溫差：±30°；同時(shí)考慮局部溫差±5°進(jìn)行溫度作用分析。
3.4 結(jié)構(gòu)分析軟件及用途：
SATWE\下部結(jié)構(gòu)的混凝土部分分析計(jì)算及配筋;
MIDAS\上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的計(jì)算分析、整體模型的計(jì)算分析、模態(tài)分析、屈曲分析、非線性分析、時(shí)程分析等;
ANSYS\節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析、整體穩(wěn)定性分析.
4 分析結(jié)果
4.1 模態(tài)分析
結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析是衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度布置是否合理的重要指標(biāo)。通過對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振動(dòng)分析可以看出：1) 前幾階振型均為豎向振型且自振頻率密集；2) 結(jié)構(gòu)振型以中間大跨穹頂?shù)呢Q向振動(dòng)為主，說明豎向結(jié)構(gòu)剛度較弱；這些特點(diǎn)與其它大跨空間結(jié)構(gòu)非常一致。
圖7 廣州市花都東風(fēng)體育館模態(tài)分析結(jié)果
4.2 非線性屈曲分析
圖8 第一階屈曲模態(tài)
《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.1規(guī)定結(jié)構(gòu)厚度較薄的雙層網(wǎng)殼應(yīng)做穩(wěn)定性計(jì)算。結(jié)構(gòu)厚度較薄的雙層網(wǎng)殼對缺陷亦較敏感，故應(yīng)進(jìn)行非線性全過程分析?？紤]初始缺陷的穩(wěn)定分析：根據(jù)特征值屈曲分析結(jié)果，取第一階模態(tài)作為初始缺陷的1/300進(jìn)行幾何非線性荷載-位移的全過程分析。第一階屈曲荷載系數(shù)為7.5x0.85=6.375滿足網(wǎng)殼規(guī)范中穩(wěn)定系數(shù)大于5得要求。
4.3 多遇地震作用下彈性時(shí)程分析
選用下列兩條實(shí)際場地波和一條人工波采用一維輸入（X，Y向分別作用）：
SH1 ELCENTRO，加速度峰值：341.7cm/s2；
SH2 蘭州波1， 加速度峰值：196.2341.7cm/s2；
SH3 場地地震安全性評價(jià)報(bào)告提供的人工波，加速度峰值：27.75341.7cm/s2；
選取地震波的最大加速度值調(diào)整為多遇地震的最大值27.75gal，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析。地震作用內(nèi)力見下表1。
表1 地震作用內(nèi)力
通過對比反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，總體來說：反應(yīng)譜分析所得底部剪力??；整體位移：X向地震作用時(shí)，時(shí)程分析結(jié)構(gòu)位移較反應(yīng)譜分析略大；Y向地震作用時(shí)，時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析所的結(jié)構(gòu)位移接近；補(bǔ)充對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析設(shè)計(jì)計(jì)算，各地震波采用三維輸入:SH(Y向)+0.85SH(X向)+0.65SH(Z向)。
圖9 SH1（X向作用）－5235節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線
圖10 SH1（Y向作用）－7258節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線
4.4 中震彈性計(jì)算分析
中震彈性采用反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算分析。反應(yīng)譜法采用在定義相應(yīng)的小震反應(yīng)譜基礎(chǔ)上輸入放大系數(shù)3.72（即0.05×3.72＝0.186），使地震影響系數(shù)最大值為0.186；
經(jīng)過計(jì)算分析，整體結(jié)構(gòu)在中震反應(yīng)譜和中震時(shí)程的作用下，結(jié)構(gòu)包絡(luò)位移為86mm，屋面構(gòu)件包絡(luò)應(yīng)力比0.84，大門立柱包絡(luò)應(yīng)力比0.3；結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)抗震性能良好。
5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
5.1萬向銷軸支座節(jié)點(diǎn)
比賽館外圈萬向鉸支座節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)由銷軸和關(guān)節(jié)軸承組合而成。關(guān)節(jié)軸承主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，目前在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，無相關(guān)的規(guī)范可以參照。該支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角進(jìn)行完全釋放；并能夠傳遞軸力和剪力。設(shè)計(jì)中對這個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮一定的安全儲(chǔ)備，并且同時(shí)滿足建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范和機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面的規(guī)范規(guī)定；然后采用節(jié)點(diǎn)足尺模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和工程實(shí)踐，證明該節(jié)點(diǎn)完全滿足設(shè)計(jì)要求。
圖11 外圈萬向支座節(jié)點(diǎn)詳圖
5.2 內(nèi)圈銷軸節(jié)點(diǎn)
內(nèi)圈V字型柱腳設(shè)計(jì)，本工程屋蓋結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，內(nèi)圈鋼柱支座力以軸力為主，剪力和彎矩均較小。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用3夾2銷軸節(jié)點(diǎn)。徑向彎矩完全釋放，環(huán)向彎矩由節(jié)點(diǎn)板承擔(dān)；為防止銷軸的脆性破壞，控制銷軸處于低應(yīng)力狀態(tài)下工作。
圖12 廣州市花都東風(fēng)體育館內(nèi)圈銷軸節(jié)點(diǎn)詳圖
5.3 預(yù)應(yīng)力張拉節(jié)點(diǎn)
張拉節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)關(guān)系到環(huán)向管內(nèi)預(yù)應(yīng)力實(shí)施的成敗，是本工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一。本項(xiàng)目有效預(yù)應(yīng)力值分別為：3350kn(下弦管內(nèi))和1565kn(上弦外側(cè)管內(nèi))。在鋼管張拉節(jié)點(diǎn)處的作用力較大且集中同時(shí)需在原鋼管上開孔以方便預(yù)應(yīng)力的施加。因此合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常重要。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中采用在弦桿外包鋼管的方式加強(qiáng)此節(jié)點(diǎn)并在張拉端用加勁板保證節(jié)點(diǎn)板整體穩(wěn)定。
圖13 預(yù)應(yīng)力張拉節(jié)點(diǎn)詳圖
圖14 預(yù)應(yīng)力張拉節(jié)點(diǎn)實(shí)體圖
5.4 鑄鋼節(jié)點(diǎn)
比賽館中多桿件相交、桿件相交夾角太小、正常加工困難的節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼件，鑄件材料均采用《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)有技術(shù)規(guī)程》CECS235:2008中可焊鑄材ZG275-485H，屈服強(qiáng)度為275MPA。采用美國通用有限元分析軟件ANSYS9.0作計(jì)算分析，采用solid92單元模擬桿件，一根桿件兩端固定，其余桿件加載。經(jīng)計(jì)算分析，安全儲(chǔ)備均在2倍以上。設(shè)計(jì)荷載作用下的有限元分析結(jié)果如圖15、圖16。
圖15 柱頂鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖
圖16 廣州市花都東風(fēng)體育館中央壓力環(huán)鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖
6、結(jié)語
本文介紹了2010年廣州亞運(yùn)的花都東風(fēng)體育館這一工程實(shí)例，對于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、體系分析、計(jì)算結(jié)果及構(gòu)件連接處的節(jié)點(diǎn)有限元分析做了描述和總結(jié)：
1、根據(jù)建筑外形特點(diǎn)，屋面鋼結(jié)構(gòu)采用肋環(huán)型穹頂結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)在受拉圈梁弦桿管內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力。計(jì)算分析表明：結(jié)構(gòu)受力簡單明確，內(nèi)圈屋蓋鋼結(jié)構(gòu)基本處于結(jié)構(gòu)自平衡狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。
2、環(huán)行管內(nèi)預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的采用不僅增加梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高了安全性能，而且減少了結(jié)構(gòu)用鋼量，降低了工程造價(jià)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
3、萬向銷軸鉸支座的運(yùn)用，完全與計(jì)算假定一致。同時(shí)滿足建筑美觀要求。
4、比賽館用鋼量87kg/㎡、訓(xùn)練館用鋼量62kg/㎡，此用鋼量包含屋面用鋼量和鋼柱用鋼量，是同類鋼結(jié)構(gòu)場館中用鋼量最低的項(xiàng)目。
本工程的經(jīng)驗(yàn)可為此類工程設(shè)計(jì)提供一些借鑒和參考。
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