半岛官网庆阳体育馆结构设计docPAGE PAGE 1 庆阳体育馆结构设计 提要：庆阳市体育馆下部结构采用现浇钢筋混凝土框架，上部屋盖采用马鞍形双向桁架结构,该屋盖跨度大,且是省内外同类结构中唯一的马鞍形屋盖,相比正圆形网壳,平板网架等，马鞍形具有各向受力不对称,设计、施工难度更大等特点。本文介绍了该工程在设计过程中的设计方法。仅下部混凝土框架结构模型，或者仅上部钢桁架结构模型，上下部组合结构模型，分别在不同软件下的计算结果，并对其计算结果的差异，及造成差异的原因进行分析。 关键词：体育馆设计；钢桁架；整体分析；混合结构 Abstract:QingyangCityGymnasiumsubstructureusesitureinforcedconcreteframe，andtheupperlargespanroofusesaddlebidirectionaltrussstructure.Whichistheonlysaddle-shapedroof outsideoftheprovincecomparedwithcircularshellsandflatgrid.Saddle-shapedwithanasymmetricstress,difficultyindesignandconstruction.Thepaperintroducesthedesignprocessoftheengineering.Thelowerconcreteframestructuremodel，ortheuppersteeltrussstructuremodel，ortheupperpartandthelowercombinedstructuremodel.Thecalculatedresultswiththedifferentsoftwarehasmuchdifference,andanalysisthecauseofthedifference. Keywords:GymnasiumDesign;steeltruss;globalanalysis;hybridstructure 中图分类号：TB482.2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012） 1工程概况 庆阳体育馆位于庆阳市世纪大道东侧，设计观众人数为4998人。由体育馆及训练馆两部分组成，体育馆和训练馆设置一道防震缝，缝宽100mm，体育馆总建筑面积约19505m2,建筑层数地上4层,其中主馆混凝土结构的外轮廓尺寸为113.10mx105.75m,包括南北悬挑端2.75m,西侧2.85m的三周悬挑部分,柱顶高度15.00m;覆盖了整个场馆,屋盖造型呈马鞍形。体育馆结构整体模型见图1，体育馆结构立面模型见图2，屋盖桁架结构平面布置见图3。 2结构形式 庆阳体育馆，主体结构抗震设防烈度6度(0.05g),设计地震分组第三组[1],场地类别III类,设计基本风压：0.30kN/m2(50年一遇）；基本雪压：0.40kN/m2(50年一遇)[2]。结构设计中，遇到了超大结构平面、超大跨度、超大空间、大悬挑钢桁架，桁架造型复杂等技术问题。在设计过程中，经过多次方案比选，体育馆下部主体结构根据建筑高度、使用要求、抗震设防烈度等因素综合考虑,确定采用全现浇钢筋混凝土框架结构体系,体育馆屋盖及楼盖结构：屋盖采用钢管桁架，局部采用曲面弧形造型的拱结构。看台楼盖采用现浇钢筋混凝土楼板[3]。整个结构采用周边柱点支撑框架抗震等级。考虑到支撑屋盖结构柱的重要性，将其抗震等级提高至二级。柱网尺寸为6.9x7.2m、6.4x7.2m。主要框架柱截面为450x450、600x600、900x900、1000x1000,框架主梁300x600、300x800、400x800、支撑上部屋盖柱在柱顶设置800x1000拉梁。马鞍形屋盖采用双向桁架结构，屋盖桁架跨度为75.8x83.6m,角部最大悬挑15.21m，最小悬挑3.95m，根据下部结构柱网尺寸，桁架横向间距6.4、6.9m、7.0m，纵向间距6.4m、6.6m、7.0、7.6m，最高点34.45m，桁架覆盖面积为108X100.2=10821.6m2，平面跨度短向75.8m，长向83.6m。结构沿长向设置三角形立体桁架，桁架宽度3.5m，高度5m，根据曲面关系逐步变截面[6]。 图1体育馆整体模型 图2体育馆立面模型 图3屋盖桁架平面布置 4计算分析： (1)屋面恒载:屋面覆盖材料0.5kN/m2灯桥、马道荷载。 (2)屋面活载0.5kN/m2。活载输入时,考虑了内跨和悬挑段的不利布置,以取得最不利荷载效应。 (3)风荷载:因大悬挑桁架为风致敏感结构,计算时基本风压按100年设计基准期取为0.35kN/m2进行了复核。 (4)温度荷载:取使用阶段环境最高和最低温度与钢结构安装合拢温度的差值,该工程升温及降温均取300C;温度荷载与其他荷载组合时组合系数取0.6。 (5)地震作用:该工程抗震设防烈度为6度,设计地震分组为第三组,设计地震基本加速度为0.05g。结构分析时,按抗震规范规定的反应谱方法进行地震作用计算。 体育馆下部钢筋混凝土框架计算采用中国建筑科学研究院编制的“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE”（软件版本为2007年3月版），并且采用中国建筑科学研究院编制的“特殊多、高层建筑结构分析与设计软件（广义协调墙元模型）PMSAP”（软件版本为2006年9月版）复核。屋面钢管桁架计算采用浙江大学空间结构研究中心编制的“空间网格结构MSTCAD”（软件版本为2006年版），计算结果如表1所示。 表1下部混凝土框架结构计算结果比较 为了改善结构体系钢筋混凝土框架部分通过以上几种模型的计算分析，计算结果存在以下差异： 用SATWE开大洞钢梁模拟上部钢网壳屋盖[5]，结构自振周期较PMSAP整体计算长，说明上部钢网壳存在一定刚度。在风荷载和地震作用下，结构的层间位移PMSAP整体模型大于SATWE开大洞模型，地震剪力同样是PMSAP整体模型大于SATWE开大洞模型。ANSYS整体模型计算结果与PMSAP整体计算结果基本接近，无异常情况，计算结果如表2所示。说明上部钢网壳存在一定刚度，对结构整体有一定影响。 用SATWE开大洞模拟上部钢网壳屋盖，基底地震剪力、基底地震倾覆弯矩较PMSAP整体计算小很多，造成此结果的原因是整体计算时真实考虑了上部钢网壳的重心高度较三层屋顶高出约7m。 表2上部钢屋盖计算结果比较 上部钢桁架屋盖 用MST软件单独分析时，上部钢网壳采用MST软件计算分析，并采取以下措施[4]： a）计算橡胶垫支座的水平刚度，将其带入桁架支座信息。 b）适当折减混凝土柱的刚度，减小其对桁架的约束，从而适当地增大网壳自身的刚度。 c）桁架跨中挠度控制在1/400以内。 d）桁架腹杆的长细比控制在1/150以内，并严格控制杆件的长细比。支座框架柱仅能模拟第三层框架柱，无法计入梁柱的刚度，而在整体建模分析时，可以真实模拟下部所有梁柱整体建模分析时网壳支座及其刚度无法进入计算，故MST计算的钢屋盖的变形大于整体建模的钢屋盖的变形，杆件内力也存在同样的差别。 橡胶垫支座的刚度可在MST单独计算时计入，MST软件可以对橡胶垫支座的刚度提供计算。 5、结束语 本文以庆阳体育馆结构设计为例，结构设计运用恰当的建模和分析手段,通过对结构不同部位分别分析,最终通过整体分析求解钢、砼连接界面各构件在各种工况组合下的内力,来进行相应构件的设计,确保整体结构安全;通过总装分析,揭示砼结构对钢结构的弹性支承对上部钢结构的影响,校核上部钢结构,确保整体结构安全，解决了结构设计与施工中多项关键技术问题,保证了建筑得以实现。介绍大型混合结构设计的相关思路和计算分析内容，可供同行在设计相关工程时参考。 参考文献 [1]GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001. [2]GB50009-2001(2006年版)建筑结构荷载规范,[S].北京:中国建筑工业出版社,2006. [3]郑良知半岛官方网站，董华挺.体育馆圆形网架结构的优化设计[J].工程设计CAD与软件应用，2002，6（12）：60-62. [4]JGJ61-2003网壳结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2003. [5]陈岱林，赵兵，刘民易.PKPM结构问题解惑及工程应用实例解析[M].北京：中国建筑工业出版社，2008. [6]沈祖炎，陈扬骥.网架与网壳[M].上海：同济大学出版社，1997.
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