某體育館結構性能分析研究

史軍鵬

(山西國建工程設計有限公司，山西太原 030013)

1 工程概況

該體育館屋蓋采用兩個不同半徑球面雙層正交正放的空間網格結構，組合投影為橢圓形，平面投影長軸93 m，短軸88.8 m，厚4.0 m，懸挑部分端部厚2.0 m，屋蓋通過下弦節點支承于下部鋼管混凝土柱和柱頭環梁上。體育館鳥瞰照片如圖1所示。結構布置如圖2所示。

體育館的抗震設防類別為一類，結構設計使用年限100年，建筑結構安全等級一級，抗震設防烈度7度，基本地震加速度0.1g，設計地震分組第一組，場地類別三類，場地特征周期Tg=0.45 s。

2 結構計算模型力學性能對比分析

由于軟件的限制，目前多將結構上、下部分分開建模簡化分析計算，上部網殼單獨設計，但分別建模的簡化方法可能造成網殼或下部結構設計的不安全，本文針對上下部結構整體建模和上部屋蓋單獨建模兩種模型進行對比分析。

模型一:上部鋼屋蓋結構，采用鉸接桿系計算模型，支座下部連接方式為固定鉸，應用3D3S軟件建模，SAP2000軟件分析計算(見圖3)。

模型二:上部鋼屋蓋結構與下部混凝土結構共同工作的整體模型，網殼下弦節點與下部混凝土柱鉸接連接，應用SAP2000軟件進行計算分析，以此計入下部結構對屋蓋鋼結構設計的影響(見圖4)。

1)模態分析。

結構前9階模態周期對比如表1所示。

表1 前9階模態周期對比 s

兩種模型自振周期比較見圖5。

SAP2000兩種模型前4階振型對比見圖6。

通過以上分析結果可得出以下結論:

a.兩者周期變化基本一致，用3D3S軟件和SAP2000軟件進行計算的模型一兩個結果基本吻合，但是模型二周期均比模型一大，第一周期增大8.65%，第二周期增大27.7%，可見加上下部混凝土結構后，結構整體剛度有所減弱;b.從兩種模型前4階振型圖對比看出，兩種模型屋蓋部分振動形式基本一致。

2)地震作用分析。

按規范規定選取反應譜曲線用振型分解反應譜法進行計算，采用CQC方法進行組合。根據GB 50011-2010建筑抗震設計規范，計算中地震影響系數最大值amax=0.08，場地特征周期 Tg=0.45 s，可得到水平地震影響系數曲線。地震工況下網殼節點最大位移、桿件最大應力比、最大支座反力對比見表2～表4。

表2 地震工況下網殼節點最大位移對比表 mm

表3 地震工況下網殼桿件最大應力比對比表

表4 地震工況下最大支座反力對比表 kN

通過以上分析結果可得出以下結論:

a.在考慮下部支承結構共同工作后，地震工況下網殼節點最大豎直位移為模型一的1.63倍，最大水平位移為模型一的2.16倍;b.在考慮下部支承結構共同工作后，網殼上弦桿應力值增大49%，腹桿應力增大33%，下弦桿應力增大34%;c.在考慮下部支承結構共同工作后，網殼支座水平反力增大34%，豎直反力增大15%;d.由以上結論可知:下部結構的存在使網殼屋蓋結構支承剛度減弱，與模型一的支承剛度差別較大，從而使結構位移有所增大、桿件內力增大、支座動反力增大，所以設計時應以考慮下部結構共同工作為主。

3)靜力分析。

對網殼節點最大位移、網殼節點最大支座反力、網殼桿件的最大內力三類最重要的靜力響應進行對比分析，結果見表5～表7。

表5 網殼節點最大位移對比表 mm

表6 網殼節點最大支座反力對比表 kN

表7 網殼桿件內力最大值對比表 kN

通過以上分析結果可得出以下結論，見表8。

表8 靜力分析結果

a.在不同荷載組合工況下，網殼節點最大豎向及水平位移出現在不同位置，兩個計算模型在同一荷載組合工況下，最大位移出現的位置也不一致;b.在考慮下部結構共同工作后，網殼節點最大水平位移和豎向位移都有所增大。在荷載組合“恒+活、恒+活+正(負)風、恒+活+正溫”工況下，最大水平位移模型二約為模型一的3倍，最大豎向位移模型二約為模型一的1.6倍;在荷載組合“恒+活+負溫”工況下，最大水平位移和豎向位移增幅都較小;c.在考慮下部結構共同工作后，水平向總反力值基本不變，約為0 kN，豎向總反力值不變。但具體到單個支座而言，水平向反力和豎向反力的最大值均增大。在荷載組合“恒+活、恒+活+正(負)風”工況下，豎向反力最大值增值約為14%;在荷載組合“恒+活+正溫”工況下，增幅很小;在荷載組合“恒+活+負溫”工況下，增幅40%;d.在考慮下部結構共同工作后，桿件內力增幅約為18%;e.由以上分析結果可知，考慮下部結構共同工作后，屋蓋結構是偏于不安全的，所以在條件允許的情況下應進行整體分析。

3 結語

本文對網殼結構整體模型和單獨上部網殼結構兩種模型進行了對比分析，可以得出以下結論:1)從模態分析，采用整體結構的模型與單獨采用上部網殼結構的模型相比，第一周期增大8.65%，第二周期增大27.7%，說明采用整體結構的模型支承剛度減弱，與模型一的支承剛度差別較大;2)從網殼力學性能分析，由于下部結構的存在使網殼屋蓋結構支承剛度減弱，從而使結構位移有所增大、桿件內力增大、支座動反力增大，所以考慮下部結構共同工作后，屋蓋結構是偏于不安全的，所以在條件允許的情況下應進行整體分析。

［1］張國軍，張慶亮，葛家琪.2008奧運會羽毛球館上下部結構共同工作分析研究［A］.第八屆全國現代結構工程學術研討會［C］.2008.

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［3］［美］法扎德·奈姆.抗震設計手冊［M］.王亞勇，譯.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［4］GB 5009-2012，建筑結構荷載規范［S］.

［5］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［6］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［7］北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.