淺析長泰主體育場看臺罩棚鋼結構設計

藍鵬飛

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361000)

1 工程概況

本工程位于漳州長泰縣，項目包括展覽館、科技館、綜合體育館、主體育場等。其中主體育場總長度約為249.5m，總寬度約為 246.3m，通過設縫分為四部分，總面積約為21439m2。東、西兩側為看臺區(西側看臺為主看臺)，下部為混凝土框架結構，上部看臺頂部設有懸挑鋼結構罩棚。西看臺弧形總長度為 147m，徑向尺寸寬度為22.9m，東看臺弧形總長度為95.8m，徑向尺寸寬度為22.9m(單跨柱距8.1m+懸挑長度13.8m)，檐口高度約23.700 m，沿弧形方向柱距8.633m。(單跨柱距8.1m+懸挑長度13.8m)，檐口高度約17.910 m，沿弧形方向柱距8.633m。主體體育場總效果圖詳見(圖1)、東看臺屋頂平面圖見(圖2)、西看臺屋頂平面圖見(圖3)。本工程為丙類建筑，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，場地土類別為II類。基本風壓為Wo=0.55kN/m2，地面粗糙度為B類。

圖1 主體育場效果圖

圖2 東看臺屋頂平面圖

圖3 西看臺屋頂平面圖

2 看臺罩棚鋼結構結構布置

根據體育場的建筑要求及下部建筑布置，通過對不同結構體系應用比較分析，最后確定采用雙支點的懸挑式結構，懸挑式罩棚采用鋼管立體桁架形式。

圖4 罩棚結構示意圖

圖5 罩棚主桁架單元圖

(1)主、次桁架:

結合下部看臺結構，懸挑式主桁架利用看臺下方的柱作為前后支點，形成力臂從而有效解決懸挑主桁架的抗傾覆問題。東(西)側看臺罩棚在徑向沿著下部結構框架柱距布置12(18)榀主桁架單元，主桁架間距為下部柱網間距8.633m。主桁架截面形式采用倒三角立體管桁架(圖4、圖5)。

圖6 罩棚次桁架單元圖

在看臺罩棚環向主桁架單元之間布置三道次桁架，其中兩道為倒三角鋼管次桁架，與主桁架弦桿在看臺柱柱頂處相貫連接，既保證了主桁架環向荷載的傳遞，又為主桁架提供了可靠的防側傾體系，減小了主桁架面外計算長度，有效發揮整個結構的空間作用。

在主桁架單元懸挑尾部部，次桁架的截面形式結合建筑此處設置環向檢修馬道要求，布置一道菱形次桁架(圖6)，作為檢修馬道的通道，同時該桁架對主桁架端部側向起到支撐作用，增強了整個罩棚屋蓋結構的整體性和穩定性。

(2)屋面支撐系統布置

為加強屋蓋系統的整體剛度，在主次桁架上弦間距布置了4道屋面水平支撐。屋面體系通過由主桁架、次桁架與水平支撐共同構成穩定的幾何不變體系。

(3)屋面檁條布置及圍護體系

本工程中屋面為彩色壓型鋼板屋面(雙層彩板圍護)，屋面檁條采用C型鍍鋅檁條。在屋面檁條布置時，考慮到本工程結構為敞開式結構，風荷載作用影響比較大。參考《荷載規范》及其它工程的風洞試驗報告等相關資料，檁條考慮在屋蓋端部及邊緣區域構造加密，以保證屋面圍護及檁條等在風荷載作用下的抗風能力。

(4)下部看臺框架柱

看臺罩棚下為多層混凝土框架結構的看臺及用房，根據建筑外觀效果要求，看臺以上部分框架柱為圓柱。由于下部為混凝土結構，上部看臺罩蓬為鋼結構，考慮到上下部分的連接等處理，本工程中看臺框架柱采用鋼管混凝土柱截面。鋼管混凝土柱下端往下延伸一層插入混凝土框架柱內形成剛接柱腳(圖7、圖8)。

圖7 東罩棚結構剖面圖

圖8 西罩棚結構剖面圖

(5)主要構件尺寸

主桁架(倒三角鋼管立體桁架):上弦管Φ203×10，下弦管 Φ351×16，腹桿 Φ133×5;

次桁架1(倒三角鋼管立體桁架):上弦管Φ76×6，下弦管Φ121×5，腹桿 Φ68×4;

次桁架2(倒三角鋼管立體桁架):上弦管Φ121×5，下弦管 Φ121×5，腹桿 Φ95×4;

水平支撐:Φ114×4;

鋼管混凝土柱:Φ500*20(C35)

檁條:C280×70×20×3.0

桁架鋼管均采用熱軋無縫鋼管(Q345B)

3 罩棚荷載條件

(1)恒荷載:彩板板及檁條等自重0.35kN/m2、;馬道及燈具等重量1.80kN/m;

(2)可變荷載:屋面活荷載0.3kN/m2(整體計算桁架);屋面馬道活荷載2.0kN/m2;

屋面虹吸排水荷載3.5kN/m。

(3)風荷載:基本風壓0.55kN/m2(重現期為50年)，場地粗糙度類別為B類。

一般對于造型復雜或規范上未明確給出的體型系數的和風振系數的結構，需通過風洞試驗或者CFD數值模擬結果確定風壓分布，從而為主體結構風荷載提供準確的設計依據。本工程中由于條件限制，參考相關資料及國外規范要求，對本工程中的懸挑罩棚風荷載體型系數取值考慮為:風吸取－2.0，風壓取1.3;

考慮到本罩棚為懸挑型大跨屋蓋，同時屋面質量較輕，按照荷載規范要求考慮風振問題，風振系數有風荷載作用下由軟件結構動力計算得出。

(4)溫度作用:溫度應力按±15度考慮。

(5)地震作用按照《建筑抗震設計規范》的相關規定考慮，并考慮進行豎向地震作用下驗算。

4 罩棚鋼結構計算分析

本工程中罩棚鋼結構結構分析采用同濟大學編制的3D3S(V11.0)鋼結構系統軟件進行計算分析。

主桁架(倒三角鋼管立體桁架)桁架截面高度為1.8m，寬度為1.8m;次桁架(倒三角鋼管立體桁架)桁架截面高度為1.8m，寬度為1.8m。

(1)計算模型的假定說明

根據《鋼結構設計規范》第10.1.4條要求及《空間網格結構技術規程》第4.1.4條規定，本工程立體桁架模型計算分析時腹桿與弦桿按照鉸接與剛接兩種模型計算對比并按照雙控包絡設計。

(2)立體桁架的計算長度取值考慮

根據《空間網格結構技術規程》第5.1.2條要求，立體管桁架受壓桿件的計算長度系數取1.0。本工程中分析主桁架時取節間長度進行計算設計。考慮本工程中主桁架有較大的懸挑長度，主桁架下弦在荷載作用下會出現受壓情況，主桁架設計時按取面外次桁架間距長度進行復核驗算。

(3)3D3S電算結果分析控制

圖9 西罩棚變形云圖

本工程鋼結構桿件在所有組合作用下的應力比等都控制:主次桁架弦桿控制在0.8以下，其他桿件控制在0.85以下，對于支座處的主桁架腹桿給予加強考慮。

本工程罩棚鋼結構變形為恒載+活載+風壓組合作用下時主桁架端部撓度最大，其最大撓度為12800÷82.307=155.5＞125(整體位移要求)，懸挑罩棚滿足懸挑結構＞1/125的要求，變形圖如(圖9)所示。

5 節點連接設計

在立體桁架結構中，采用桿件直接焊接的相貫節點外形簡潔，能較好地滿足建筑外觀要求。管桁架中相貫節點連接是尤為重要節點，本工程主次桁架連接節點均采用相貫節點連接，節點示意如(圖10)所示:

圖10 典型相管節點示意圖

對連接節點均按照《鋼結構規范設計規范》相關要求進行復核。對于主桁架與下部鋼管混凝土柱連接節點，由于規范中沒有給出明確的算法及計算公式，考慮到此節點的重要性及節點處理特殊性，故采用ABAQUS有限元分析軟件進行建模分析。由于此連接節點在不同工況荷載作用下會出現受拉、受壓，設計時提取計算模型的節點內力進行有限元計算分析。根據計算結果，鋼管柱與主桁架下弦管通過相貫連接焊縫能夠得到有效傳遞，在連接節點角部出現局部應力集中，在節點構造上通過加設豎向加勁肋加強豎向力的傳遞及節點的承載能力及變形能力。節點模型及構造大樣圖如后(圖11)所示。

在鋼管混凝土柱內中間柱柱對接處設置十字加勁肋，十字加勁肋插入鋼管內混凝土的長度按照兩者之間的粘結力保證受拉、受壓作用下的內力傳遞設計計算，起到節點的二道防線措施。

6 結束語

通過本工程的看臺罩棚的結構布置、荷載分析、整體結構計算比較、節點連接等結構設計分析，對于后續類似工程有以下方面幾點可供參考注意:

(1)對于懸挑看臺罩棚結構需根據建筑及下部看臺結構情況進行結構體系比較確定并進行合理的結構布置;

(2)懸挑看臺罩棚結構抗風設計應給予注意重視，對于不同結構的風荷載體型系數需給予具體分析考慮;

(3)立體管桁架的計算假定及模型分析應進行包絡設計，按照不利值計算設計;

(4)對于支座等特殊節點應給予重點設計，進行詳細分析以確定節點構造措施，以保證節點的安全;

本工程設計及本文編寫均得到本院技質部肖偉總工、楊瑪莎總工、張樹傳總工及同事陳德平、陳躍輝等大力指導，謹在此表示感謝!

[1]GB50017－2003，鋼結構設計規范[S].

[2]JGJ－2010，空間網格結構技術規程[S].

[3]GB50011－2010，建筑抗震設計規范[S].

[4]GB50009－2012，建筑結構荷載規范[S].

[5]丁潔民，張崢等.大跨度建筑鋼屋蓋結構設計選型與設計[M].同濟大學出版社.