中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
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(biāo)準(zhǔn)和建筑科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。當(dāng)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(jì)性能。近年來，大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，以期對類似工程有參考作用。
關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、工程概況
濰坊市體育中心—體育場項(xiàng)目是濰坊市為2009年第十一屆全國運(yùn)動會規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)體育設(shè)施項(xiàng)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(shè)計(jì)。
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(shè)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(jìn)深63.5米，落地拱高70米，看臺最高點(diǎn)標(biāo)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
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(shè)置斜撐，斜撐上點(diǎn)約在距梁柱節(jié)點(diǎn)5米處，下點(diǎn)位于柱腳處。縱向環(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(shè)置兩根鋼拉桿和一根斜撐，拉桿上節(jié)點(diǎn)在桁架的上弦節(jié)點(diǎn)，下拉點(diǎn)在剛架的前懸挑端4~6米處，斜撐上拉點(diǎn)位于近剛架內(nèi)側(cè)桁架上弦節(jié)點(diǎn)，下拉點(diǎn)在剛架的前懸挑端約15米處。連接節(jié)點(diǎn)均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管，節(jié)點(diǎn)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(guān)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(xué)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(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖布置如下：見圖2，圖3
3、 荷載和作用
3.1設(shè)計(jì)使用年限與安全等級圖
按照相關(guān)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)年限為50年，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(jì)算的程序自動計(jì)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(shè)計(jì)時采用半跨活荷載考慮其不利影響。
3.3 地震作用
抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防為乙類，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年?？辈靾?bào)告顯示該地區(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(fēng)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(fēng)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(fēng)的作用，風(fēng)荷載分布較為復(fù)雜，通過比較，風(fēng)向角為0°，45°，60°，90°時風(fēng)的分布對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為不利。風(fēng)壓高度變化系數(shù)由程序自動計(jì)算，設(shè)計(jì)時取風(fēng)振系數(shù)為1.6。
3.5荷載工況組合
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組合考慮了正負(fù)30度溫差效應(yīng)，水平地震，各風(fēng)向角等工況，采用的荷載工況組合形式共計(jì)50多種，溫度效應(yīng)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(yīng)無明確規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及參考相應(yīng)規(guī)范，承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合時，溫度效應(yīng)組合系數(shù)取1.2，考慮到最不利溫差與活荷載，地震，風(fēng)，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(yīng)。對于正常使用極限狀態(tài)，計(jì)算結(jié)構(gòu)位移取標(biāo)準(zhǔn)組合。
四、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算與設(shè)計(jì)
通過CAD為操作平臺，根據(jù)實(shí)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(jìn)行整體計(jì)算，由計(jì)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(jì)大學(xué)的3D3S9.0結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對看臺罩蓬鋼結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)件進(jìn)行了整體分析計(jì)算,其分析 結(jié)果如下：
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
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(yán)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(qiáng)，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。
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