中型多功能体育建筑结构设计探讨

中型多功能体育建筑结构设计探讨

宫修远

艾奕康咨询(深圳)有限公司广东.深圳518001

摘要：本文结合工程实例，比较了项目不同模型下的计算分析结果，阐述了上部钢结构主要构件及关键节点设计，供类似工程设计参考。

关键词：风压系数；风载体型系数；风振系数；屈曲系数

1、结构概况

本项目是一座乙级中型多功能体育馆，由一大一小两个椭圆球体组成，以一条象征哈达的飘带连接。大的球体为比赛馆，小的球体为训练馆，总建筑面积15000平方米。比赛馆分为三层，椭圆形平面长轴尺寸96米，短轴尺寸80米，高25.5米。比赛馆观众席由2520个固定座位与1000个活动座席组成。练习馆为一层，椭圆形平面长轴尺寸67米，短轴尺寸53米，高18.5米。可容纳两个网球场及少量活动看台。建筑效果图如图1-1所示。

1.2荷载及作用

屋面恒载考虑屋面檩条自重取1.0kN/m2；屋面活载考虑马道荷重、舞台区荷重、分机荷重，均按实际布置位置及设备专业提供结果；温度作用按升温+25℃、降温-30℃考虑。

1.2.1风荷载

基本风压：重现期为100年时kN/m2，重现期为50年时kN/m2，为B类地貌。

大跨度屋盖结构因具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点，风荷载是其结构设计的控制荷载。对于这种形式的屋盖，我国现行的《建筑结构荷载规范》[1]没有提供其风载体型系数。为保证结构的整体和局部安全，本项目筹建领导小组办公室委托湖南大学风工程试验研究中心，对该文体中心的刚性模型进行了风洞测压试验，测量了比赛馆和练习馆的平均压力和脉动压力。在进行同步压力测量的基础上，采用结构通用有限元分析软件ANSYS对该项目的动力响应和等效风荷载进行研究。

1.2.2地震作用

本工程建筑抗震设防类别为标准设防类（简称丙类），结构安全等级为一级，设计使用年限为50年，所在地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.40s。钢结构部分考虑竖向地震作用，按10%重力荷载代表值取值。

2、结构设计

结构分析采用两种计算模型。一是钢结构屋盖单独模型和下部钢筋混凝土框架结构单独模型。二是钢结构屋盖与下部钢筋混凝土框架结构整体模型。其中钢结构屋盖又增加了比赛馆和训练馆的单独模型（不考虑飘带的影响）。按《建筑抗震设计规范》[4]要求，钢筋混凝土框架结构的抗震等级为二级，结构分析采用SATWE进行计算，水平地震作用计算方法为振型分解反应谱法。多遇地震作用下，采用弹性分析。由软件自行判断最不利地震作用方向。周期折减系数取值0.80以考虑非结构构件对刚度的影响。结构阻尼比取值=0.05。钢结构屋盖采用MIDAS进行分析，并采用ANYSIS进行屈曲模态和结构稳定分析。整体模型采用MIDAS进行分析。

钢结构屋盖单独模型自振周期计算结果见表2-1，下部钢筋混凝土框架结构单独模型自振周期计算结果见表2-2，整体模型自振周期计算结果见表2-3。钢结构屋盖单独模型中第一振型表现为X向平动为主与扭转振动；第二振型表现为Y向平动为主与扭转振动；从第三阶开始，结构频谱较密集，表现为平扭振动。下部钢筋混凝土框架结构单独模型中第一振型表现为X向平动为主与扭转振动，第二振型表现为Y向平动无扭转成分，第三振型表现为平扭振动。整体模型中结构振型表现特征同钢结构屋盖单独模型。两种模型中，整体模型自振周期长于单独模型自振周期。

在竖向荷载作用下，钢结构屋盖单独模型与整体模型节点竖向位移计算结果相近，各种荷载组合工况下节点最大竖向位移小于跨度的1/300，满足规范设计要求。在水平地震作用下单独模型中结构X向及Y向水平位移均小于整体模型计算结果。

在各种荷载组合工况下，单独模型中构件最大应力比验算结果为0.95，整体模型中构件最大应力比验算结果为0.91，均为飘带与比赛馆连接处构件。比赛馆与训练馆钢构件设计应力比控制在0.7以内。

按《网壳结构设计规程》[5]要求，对钢结构屋盖进行了几何非线性稳定分析，几何初始缺陷值取L/300，根据ANYSIS的计算结果，结构的几何非线性屈曲系数6.73>5，结构整体稳定性满足设计要求。

2.1构件及节点设计

比赛馆径向布置26榀钢管桁架，环向布置4榀桁架。训练馆径向布置23榀桁架，环向布置4榀桁架。顶端均设置压力环。图2-1为比赛馆长轴榀桁架大样及材料表。图2-2为训练馆顶部压力环三维模型图，限于篇幅，没有列出各种荷载组合工况下压力环应力图。图2-3为练习馆压力环节点大样图。图2-4为训练馆桁架支座节点大样图。

3、结束语：

采用多程序、多模型计算分析表明，对这类上部大跨钢结构支承于下部钢筋混凝土结构的复杂结构，下部结构只考虑上部结构的荷载这种习惯设计方法不能满足结构安全。除考虑上部结构质量外，还必须考虑上部结构的刚度。同理，对上部结构，也应考虑下部结构的刚度同计算假定之间的误差。随着计算分析软件的发展，采用以结构整体模型为主、单独模型为辅的包络设计方法，来保证结构安全。

参考文献：

[1]GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[2]GB50011-2001建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3]GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4]JGJ61-2003网壳结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.