濰坊市體育中心?體育場項目:大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設計分析

        作者:於國飛 王再勝 張可    
        時間:2012-10-26 13:48:42 [收藏]
        大跨度空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型之一,其技術(shù)的發(fā)展是一個國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標準和建筑科技水平的重要標準之一。當跨度增大時,空間結(jié)構(gòu)就越能顯示出其優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。近年來,大跨度空間結(jié)構(gòu)設計的理論和技術(shù)水平得到了交大的提高。
            關鍵詞:

          摘 要:大跨度空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型之一,其技術(shù)的發(fā)展是一個國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標準和建筑科技水平的重要標準之一。當跨度增大時,空間結(jié)構(gòu)就越能顯示出其優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。近年來,大跨度空間結(jié)構(gòu)設計的理論和技術(shù)水平得到了交大的提高。本文將對濰坊市體育中心—體育場的結(jié)構(gòu)體系的設計進行闡述,以期對類似工程有參考作用。
          關鍵詞:大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)設計

               1、工程概況
                濰坊市體育中心—體育場項目是濰坊市為2009年第十一屆全國運動會規(guī)劃建設的重點體育設施項目。體育場位于濰坊市濰城區(qū)的核心地區(qū),北宮西街北側(cè),安順路東側(cè),臥龍街南側(cè),清平路西側(cè)。
          整個體育場為六層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),看臺共三層,看臺罩蓬為大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺罩蓬的結(jié)構(gòu)設計。

               體育場看臺罩蓬平面呈橢圓形,屋蓋為四分之一圓弧形,長軸263米,短軸240米,東西側(cè)設有落地拱形金屬拱形屋蓋,覆蓋整個東西兩側(cè)觀眾席,落地拱長300米,最大進深63.5米,落地拱高70米,看臺最高點標高35.4m,金屬屋面高57米??磁_罩蓬面積約為20000平方米。全場可容納觀眾約45000人。見圖1
           

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          濰坊市體育中心—體育場效果圖
           

          2、結(jié)構(gòu)概況
               體育場看臺罩蓬結(jié)構(gòu)體系可分為縱,橫向結(jié)構(gòu)體系,縱向結(jié)構(gòu)體系為單榀曲面拱形管桁架,桁架跨度L=300米,矢高f=70米,矢跨比f/L=1/42.8,較一般桁架矢跨大,剛度較好,桁架橫截面為三根鋼管弦桿組成的正三角形,單?鋼管軸線平面投影為曲線,與平行拱相比,其建筑造型更為優(yōu)美。橫向結(jié)構(gòu)體系為跨度為約27米~63.5米不等的18榀懸挑剛架和7道縱向環(huán)梁。各剛架之間的間距為8米~10.5米不等。剛架梁和剛架柱都為單根鋼管,梁和柱平面內(nèi)設置斜撐,斜撐上點約在距梁柱節(jié)點5米處,下點位于柱腳處??v向環(huán)梁為單根鋼管,剛接在剛架梁上,同時可作為鋼架梁的平面外支撐,保證剛架的側(cè)向穩(wěn)定和剛架的整體穩(wěn)定。每榀剛架與拱形桁架的平面內(nèi)設置兩根鋼拉桿和一根斜撐,拉桿上節(jié)點在桁架的上弦節(jié)點,下拉點在剛架的前懸挑端4~6米處,斜撐上拉點位于近剛架內(nèi)側(cè)桁架上弦節(jié)點,下拉點在剛架的前懸挑端約15米處。連接節(jié)點均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管,節(jié)點均為相貫面焊接。該結(jié)構(gòu)由拱形桁架,懸挑剛架和環(huán)梁通過鋼拉桿和斜撐連接在一起,形成一個完整的自平衡體系,同時兩種結(jié)構(gòu)體系的相互作用,使兩者具有變形協(xié)調(diào)的關系,較好地控制了結(jié)構(gòu)體型的變形,不僅大幅度降低了剛架的豎向撓度,而且有效提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。同時,簡潔有序的幾何構(gòu)形同時取得了建筑美學效果。由于體育場看臺罩蓬的橫結(jié)構(gòu)體系類似于平面受力體系,由拱形桁架,剛架,和縱向環(huán)梁和拉桿組成的構(gòu)件,在縱橫向有較大的剛度。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕盈,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少的特點,具體結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖布置如下:見圖2,圖3
           

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          3、 荷載和作用
               3.1設計使用年限與安全等級圖
               按照相關要求和設計規(guī)范,結(jié)構(gòu)耐久性設計年限為50年,設計基準期為50年,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0,建筑耐火等級為一級??磁_罩蓬鋼結(jié)構(gòu)的安全等級提高為一級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。
               3.2恒荷載與活荷載
               恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重,屋面檁條,屋面板以及涂層和焊縫的質(zhì)量。其中結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由輔助計算的程序自動計算,其他恒荷載按面荷載0.4kN/m2考慮。活荷載按面荷載0.4kN/m2考慮,考慮屋面活荷載分布不均勻性的影響,設計時采用半跨活荷載考慮其不利影響。
               3.3 地震作用
               抗震設防烈度為7度,設計基本加速度為0.15g,設計地震分組為第一組,建筑抗震設防為乙類,設計基準期為50年??辈靾蟾骘@示該地區(qū)場地類別為Ⅱ類,特征周期值為0.35S,上部看臺罩蓬鋼結(jié)構(gòu)阻尼比為0.2。
               3.4 風荷載  
               根據(jù)GB50009-2001 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版),本工程取50年一遇的基本風壓W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度類別為B類。由于結(jié)構(gòu)為大跨度結(jié)構(gòu),周邊基本敞開未封閉,其上下表面均受風的作用,風荷載分布較為復雜,通過比較,風向角為0°,45°,60°,90°時風的分布對結(jié)構(gòu)設計最為不利。風壓高度變化系數(shù)由程序自動計算,設計時取風振系數(shù)為1.6。
               3.5荷載工況組合
               結(jié)構(gòu)設計組合考慮了正負30度溫差效應,水平地震,各風向角等工況,采用的荷載工況組合形式共計50多種,溫度效應對大跨度空間結(jié)構(gòu)影響較大,而現(xiàn)規(guī)范對溫差效應無明確規(guī)定,根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及參考相應規(guī)范,承載能力極限狀態(tài)荷載效應組合時,溫度效應組合系數(shù)取1.2,考慮到最不利溫差與活荷載,地震,風,雪等作用同時發(fā)生的可能性很小,與上述荷載組合時組合系數(shù)取0.6,正常使用狀態(tài)組合時組合系數(shù)取1.0恒載+1.0溫差效應。對于正常使用極限狀態(tài),計算結(jié)構(gòu)位移取標準組合。

          四、結(jié)構(gòu)整體計算與設計
               通過CAD為操作平臺,根據(jù)實際結(jié)構(gòu)中個桿件的空間位置建立模型,其整體模型如下圖,(見圖4)再根據(jù)上述條件,荷載及組合對結(jié)構(gòu)進行整體計算,由計算確定的主要結(jié)構(gòu)桿件截面如下:1)拱形管桁架部分:上弦截面尺寸為¢711x16,下弦截面尺寸為¢801x16, 靠近拱腳部位腹桿截面尺寸為¢508x16, 中間腹桿截面尺寸為¢355x10,拉桿和斜撐截面尺寸分別為¢457x12, ¢508x16。2)剛架部分:1~3榀柱和梁截面尺寸均為¢801x20,斜撐截面尺寸為¢610x16, 4~6榀柱和梁截面尺寸分別為¢801x20和¢912x20,斜撐截面尺寸為¢610x16,7~9榀梁和柱截面尺寸分別為¢912x20和¢910x20, 斜撐截面尺寸為¢865x20。3)屋面環(huán)梁截面尺寸均為¢560x16。以上所有桿件材質(zhì)均為Q345C,工程采用同濟大學的3D3S9.0結(jié)構(gòu)設計軟件對看臺罩蓬鋼結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)件進行了整體分析計算,其分析 結(jié)果如下:
           

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          大跨度屋蓋結(jié)構(gòu) 三維軸側(cè)圖
           

               4.1結(jié)構(gòu)振動特性
               表一  結(jié)構(gòu)自振周期
           

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               可以看出鋼罩蓬結(jié)構(gòu)的前三階振型以整體平動和豎向振動為主,第一振型為橫向平動,周期為0.7968s,說明豎向剛度較大而水平剛度較小,第二振型為整體豎向振動,說明結(jié)構(gòu)的整體性能較好,第三振型為屋蓋彎曲變形振動,彎曲變形振動形式嚴格按照對稱布置,周期為0.6026s,其后頻譜較密集,結(jié)構(gòu)整體性強,局部振型不明顯。表明結(jié)構(gòu)的整體剛度大,剛度和質(zhì)量分布均勻。

               4.2桿件受力
               在最不利組合作用下,拱形管桁架弦桿最大壓力為7755KN,剛架梁的最大拉力為834.5 KN,剛架柱的最大壓力為809.9KN,剛架斜撐最大壓力為1555KN,桁架和剛架之間拉桿和斜撐最大壓力為1353KN,3709KN,中間環(huán)梁最大壓力為3430.2KN。
               4.3正常使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形
               結(jié)構(gòu)懸挑剛架部分跨度較大,在荷載作用下會產(chǎn)生較大的豎向位移,為控制結(jié)構(gòu)桿件豎向變形,根據(jù)GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的相應規(guī)定,取恒荷載標準值加1/2活荷載標準值所產(chǎn)生的撓度作為構(gòu)件的起拱值,經(jīng)過整體計算后,結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最大豎向變形設計值位移為125mm,為位計算跨度(52m米)的1/416(小于1/400),滿足GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的要求。
               4.4構(gòu)件承載力驗算
               經(jīng)整體穩(wěn)定計算分析表明,結(jié)構(gòu)主要由恒荷載,活荷載和風荷載及地震作用控制,由于屋面和場地的起伏變化較大,剛架柱的長短不一,地震力不單體現(xiàn)在剛架柱的水平向彎矩上,而且已經(jīng)影響到柱的軸力,其大小已經(jīng)不能忽略,因此在計算剛架柱時,需考慮工況下大小偏心受壓的影響。構(gòu)件應力比見下表,對結(jié)構(gòu)進行整體分析,對關鍵受力桿件,應控制最大應力比.將主要構(gòu)件應力比控制在0.85以內(nèi),考慮到拱形桁架及拉桿和斜撐體系的特別重要性及本工程結(jié)構(gòu)體系的特性,設計時將拱形桁架弦桿構(gòu)件承載力設計值的應力比控制在0.80以內(nèi),拉桿和斜撐構(gòu)件承載力設計值的應力比控制在0.70以內(nèi),70%以上構(gòu)件應力比為0.3~0.8。 
               五、 節(jié)點設計
               5.1相貫節(jié)點設計
               本工程采用了圓鋼管直接相貫焊接的節(jié)點連接方法,從而避免了傳統(tǒng)設置節(jié)點板進行焊接或采用螺栓球節(jié)點的連接方法,從而降低了用鋼量。同時也使桿件直接傳力,提高了受力性能。這也使的鋼管結(jié)構(gòu)輕巧,美觀的特性能夠充分得以體現(xiàn)。由于節(jié)點的承載力設計決定了整體結(jié)構(gòu)體系的承載性能,桿件之間的連接應有良好的質(zhì)量和足夠的強度,為避免偏心鋼管桿件重心線應盡可能地在節(jié)點處匯交于一點。本工程桿件間的連接方式主要有T形節(jié)點和K形節(jié)點,其計算可按GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的承載力設計公式計算。
               5.2支座節(jié)點設計
               本工程根據(jù)受力特點,結(jié)構(gòu)的支座分為三種類型:
               (1)拱形桁架采用剛支座,若采用雙鉸,拱腳處的彎矩在任何工況下都為零,拱基礎受力合理且較節(jié)約,同時可減小拱腳處的拱構(gòu)件截面,但通過穩(wěn)定分析表明無鉸拱的的臨界力明顯要高于雙鉸拱,即無鉸拱支座的穩(wěn)定性更好,故該工程拱腳采用剛接支座。
               (2) 中間部分剛架柱才用剛接支座。由于中間部分剛架懸挑較大,使得支座處的轉(zhuǎn)角較大,為保證剛架不產(chǎn)生剛體位移,故采用剛接支座。安裝中考慮施工方面的要求,通過在混泥土柱中預埋鋼管,鋼柱與預埋鋼管焊接的連接方式。見圖5
               (3) 端部兩榀剛架采用滾軸支座,端部兩榀剛架由于鋼柱為短柱,因為短柱本身要承受軸力和因為變形和二介效應產(chǎn)生的彎矩,所以對短柱的要求很高,若采用剛接,短柱部位彎矩較大(達到20000KN.M),桿件設計極不合理。故最總采用滾軸支座(只有Z向約束),通過釋放來降低對短柱的要求。見圖6
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          大跨度屋蓋結(jié)構(gòu) 剛接支座圖

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          大跨度屋蓋結(jié)構(gòu) 滾軸支座
           
               以上節(jié)點計算與構(gòu)造均按GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》相關內(nèi)容執(zhí)行。
               六、結(jié) 語
               結(jié)構(gòu)布置受建筑和藝術(shù)的限制,考慮多方面因素應使結(jié)構(gòu)盡量布置合理,本文體育場看臺罩蓬采用鋼拱形橋的技術(shù),主要有以下優(yōu)點:1)、通過鋼拉桿和斜撐,為下部結(jié)構(gòu)提供支撐,可以有效地將懸挑剛架部分荷載傳給拱形桁架體系,從而有效的控制了懸挑剛架的彎矩。2)、調(diào)節(jié)了鋼拱形橋的內(nèi)力構(gòu)成,使拱的內(nèi)力主要有軸力構(gòu)成,材料利用充分,增強了拱的穩(wěn)定性能,并使拱身的截面變小。3)、結(jié)構(gòu)從單向傳力變?yōu)殡p向傳力,不僅較好的改善了長懸臂剛架的受力性能,而且增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。4)、營造了較大的無柱空間,實現(xiàn)了建筑效果,結(jié)構(gòu)整體上不僅流暢,美觀,取得了較好的經(jīng)濟效果。
               參考文獻 
               [1] GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S] 。
               [2] GB50009-2006 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]。
               [3] GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]。
               作者簡介:於國飛(1978-),浙江中南建設集團鋼結(jié)構(gòu)有限公司設計院,設計師
               聯(lián)系地址:杭州市濱江區(qū)長河街道(310052)
           


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