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濰坊市體育中心?體育場項目:大跨度屋蓋結構設計分析

作者:於國飛 王再勝 張可    
時間:2012-10-26 13:48:42 [收藏]
大跨度空間結構是目前發(fā)展最快的結構類型之一,其技術的發(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,空間結構就越能顯示出其優(yōu)異的技術經(jīng)濟性能。近年來,大跨度空間結構設計的理論和技術水平得到了交大的提高。
    關鍵詞:

    摘 要:大跨度空間結構是目前發(fā)展最快的結構類型之一,其技術的發(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,空間結構就越能顯示出其優(yōu)異的技術經(jīng)濟性能。近年來,大跨度空間結構設計的理論和技術水平得到了交大的提高。本文將對濰坊市體育中心—體育場的結構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構設計

         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,安順路東側,臥龍街南側,清平路西側。
    整個體育場為六層鋼筋混凝土框架結構,看臺共三層,看臺罩蓬為大跨度鋼桁架結構承重結構體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺罩蓬的結構設計。

         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,東西側設有落地拱形金屬拱形屋蓋,覆蓋整個東西兩側觀眾席,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、結構概況
         體育場看臺罩蓬結構體系可分為縱,橫向結構體系,縱向結構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。橫向結構體系為跨度為約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。該結構由拱形桁架,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,同時兩種結構體系的相互作用,使兩者具有變形協(xié)調(diào)的關系,較好地控制了結構體型的變形,不僅大幅度降低了剛架的豎向撓度,而且有效提高了結構的穩(wěn)定承載力。同時,簡潔有序的幾何構形同時取得了建筑美學效果。由于體育場看臺罩蓬的橫結構體系類似于平面受力體系,由拱形桁架,剛架,和縱向環(huán)梁和拉桿組成的構件,在縱橫向有較大的剛度。該結構具有結構輕盈,鋼結構構件類型少的特點,具體結構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,結構耐久性設計年限為50年,設計基準期為50年,結構重要性系數(shù)為1.0,建筑耐火等級為一級??磁_罩蓬鋼結構的安全等級提高為一級,結構重要性系數(shù)為1.1。
         3.2恒荷載與活荷載
         恒荷載包括結構自重,屋面檁條,屋面板以及涂層和焊縫的質量。其中結構構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,上部看臺罩蓬鋼結構阻尼比為0.2。
         3.4 風荷載  
         根據(jù)GB50009-2001 《建筑結構荷載規(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。由于結構為大跨度結構,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°時風的分布對結構設計最為不利。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
         結構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構影響較大,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),計算結構位移取標準組合。

    四、結構整體計算與設計
         通過CAD為操作平臺,根據(jù)實際結構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,荷載及組合對結構進行整體計算,由計算確定的主要結構桿件截面如下: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。以上所有桿件材質均為Q345C,工程采用同濟大學的3D3S9.0結構設計軟件對看臺罩蓬鋼結構和單元構件進行了整體分析計算,其分析 結果如下:
     

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    大跨度屋蓋結構 三維軸側圖
     

         4.1結構振動特性
         表一  結構自振周期
     

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         可以看出鋼罩蓬結構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,說明結構的整體性能較好,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,結構整體性強,局部振型不明顯。表明結構的整體剛度大,剛度和質量分布均勻。

         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構變形
         結構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,為控制結構桿件豎向變形,根據(jù)GB50017-2003《鋼結構設計規(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)生的撓度作為構件的起拱值,經(jīng)過整體計算后,結構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《鋼結構設計規(guī)范》的要求。
         4.4構件承載力驗算
         經(jīng)整體穩(wěn)定計算分析表明,結構主要由恒荷載,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。構件應力比見下表,對結構進行整體分析,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構體系的特性,設計時將拱形桁架弦桿構件承載力設計值的應力比控制在0.80以內(nèi),拉桿和斜撐構件承載力設計值的應力比控制在0.70以內(nèi),70%以上構件應力比為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。這也使的鋼管結構輕巧,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構體系的承載性能,桿件之間的連接應有良好的質量和足夠的強度,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《鋼結構設計規(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,結構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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    大跨度屋蓋結構 剛接支座圖

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    大跨度屋蓋結構 滾軸支座
     
         以上節(jié)點計算與構造均按GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》相關內(nèi)容執(zhí)行。
         六、結 語
         結構布置受建筑和藝術的限制,考慮多方面因素應使結構盡量布置合理,本文體育場看臺罩蓬采用鋼拱形橋的技術,主要有以下優(yōu)點:1)、通過鋼拉桿和斜撐,為下部結構提供支撐,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)力構成,使拱的內(nèi)力主要有軸力構成,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)、結構從單向傳力變?yōu)殡p向傳力,不僅較好的改善了長懸臂剛架的受力性能,而且增大了結構的整體剛度和穩(wěn)定性。4)、營造了較大的無柱空間,實現(xiàn)了建筑效果,結構整體上不僅流暢,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 建筑結構荷載規(guī)范[S]。
         [3] GB50017-2003 鋼結構設計規(guī)范[S]。
         作者簡介:於國飛(1978-),浙江中南建設集團鋼結構有限公司設計院,設計師
         聯(lián)系地址:杭州市濱江區(qū)長河街道(310052)
     


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