某學(xué)院體育館鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)

曾福英

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064）

某學(xué)院體育館鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)

曾福英

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064）

本文結(jié)合某學(xué)院體育館實(shí)際工程，對(duì)該工程的鋼屋蓋方案進(jìn)行比選，根據(jù)建筑平面布置及立面造型要求，最終采取了平面交錯(cuò)鋼管桁架的結(jié)構(gòu)形式。

體育館；主體結(jié)構(gòu)；鋼屋蓋；鋼管桁架

1 工程概況

該學(xué)院體育館位于河南省許昌市，由主館以及訓(xùn)練館組成。其中主館南北長(zhǎng)約102.5m，東西寬約85m，屋面最高點(diǎn)離地約28m；訓(xùn)練館東西長(zhǎng)約53.5m，南北寬約42m，屋面最高點(diǎn)離地約20m。工程建成后將成為許昌市一個(gè)標(biāo)志性建筑，為全市人民提供一個(gè)很好的體育文化活動(dòng)場(chǎng)所，也為許昌市下一步積極承擔(dān)全國(guó)單項(xiàng)賽事提供很好的硬件基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)選型

體育館建筑屬空曠大空間建筑，其屋頂鋼結(jié)構(gòu)部分主要需控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和豎向撓度滿足規(guī)范要求。本工程經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)是由豎向撓度起控制作用。為控制其撓度，分別比較了空間網(wǎng)殼、平面交錯(cuò)桁架和空間三角桁架三種結(jié)構(gòu)形式，并分別建模進(jìn)行比較。網(wǎng)殼方案，經(jīng)建模計(jì)算，要滿足撓度要求，則網(wǎng)殼的高度要達(dá)到5.8m，且網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件較多，影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部的美觀，經(jīng)甲方確認(rèn)后，否定了此方案。重點(diǎn)比較平面交錯(cuò)桁架和空間三角桁架兩種方案，分別按兩種方案進(jìn)行了計(jì)算比較，在滿足撓度要求的前提下，平面交錯(cuò)桁架需要的高度是5m，而改成空間三角桁架方案，高度則是4.85 m，雖然相對(duì)來(lái)說(shuō)高度稍有減小，但空間桁架的用鋼量大大增加，而且由于屋蓋室內(nèi)外厚度差別較大，不好處理。綜合比較，最終決定本工程的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋方案為平面交錯(cuò)桁架，主館的東西方向跨度71.5m，兩邊各懸挑6.64m，作為主桁架；南北方向跨度較大，作為次桁架。主館S軸北側(cè)4根斜柱和H軸南側(cè)2根斜柱考慮到該部位鋼屋蓋懸挑較大，作為承重柱考慮，周邊其他斜柱作為裝飾柱考慮。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1）荷載取值

設(shè)計(jì)主要考慮如下荷載：

屋面靜荷載0.4 kN /m2（屋蓋采用壓型鋼板，考慮屋面保溫及防水做法），懸掛荷載根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的設(shè)備重量等，取0.4kN/m2，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動(dòng)計(jì)算確定。

屋面活荷載0.5 kN/m2。

雪荷載基本雪壓為0.45 kN/m2。

風(fēng)荷載基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，因本工程屬不規(guī)則外形，且未做風(fēng)洞試驗(yàn)，所以風(fēng)振系數(shù)及體型系數(shù)參照國(guó)內(nèi)已建成的外形相似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行取值，風(fēng)振系數(shù)為2.0。

建筑抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度7度，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)屋面跨中撓度≤L/400（L為跨度），桿件最大組合設(shè)計(jì)應(yīng)力≤0.9f（f為鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度），桿件長(zhǎng)細(xì)比≤150。

2）結(jié)構(gòu)分析

本工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用Midas Gen和sap2000兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力特性分析。兩名設(shè)計(jì)人員用不同的兩個(gè)軟件進(jìn)行計(jì)算分析，可以減少軟件誤差、設(shè)計(jì)人員人為等因素造成的差別，保證計(jì)算結(jié)果的正確性、可靠性。

計(jì)算模型采用兩種：一種是僅計(jì)算上部鋼結(jié)構(gòu)，模型中不包含下部混凝土結(jié)構(gòu)主體部分，只是將下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋蓋的約束作用以支座的方式加上；另一種是將上部剛屋蓋部分和下部混凝土主體部分以整體的方式建模計(jì)算。

綜合比較兩種軟件和兩種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)部分桿件截面的選擇，本工程所用桿件均為焊接鋼管，截面最大的為377x10。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，桁架桿件之間節(jié)點(diǎn)接頭均采用全熔透對(duì)接焊縫，對(duì)局部受力特別復(fù)雜、連接桿件特別多的部位，采用焊接球節(jié)點(diǎn)。

3）重點(diǎn)難點(diǎn)部位

根據(jù)建筑平面布置的需要，在平面上四個(gè)角柱進(jìn)行了抽柱，這就導(dǎo)致局部桁架懸挑長(zhǎng)度達(dá)到將近20m，所以在懸挑部位的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、桿件受力等都會(huì)變得很復(fù)雜。另外屋蓋周邊室內(nèi)外高差變化比較大，采取一些特殊措施進(jìn)行處理，確保建筑造型的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這些重點(diǎn)復(fù)雜部位進(jìn)行了專門(mén)的有限元分析，將節(jié)點(diǎn)附近的桿件做得較大，節(jié)點(diǎn)采用焊接球節(jié)點(diǎn)，以確保安全。

4 小結(jié)

1）本工程鋼結(jié)構(gòu)造型美觀，既保證了結(jié)構(gòu)安全性，又滿足了建筑的使用要求，與建筑效果完美結(jié)合。

2）通過(guò)不同人員運(yùn)用不同的軟件進(jìn)行計(jì)算分析并加以比較，分析結(jié)果十分吻合，說(shuō)明計(jì)算軟件成熟，也說(shuō)明計(jì)算分析假定的可靠性。

3）本工程空間關(guān)系復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大，尤其是在懸挑部分的端部節(jié)點(diǎn)，多根桿件在此匯交，該部分節(jié)點(diǎn)采用特殊構(gòu)造措施，以保證節(jié)點(diǎn)的安全性。

4）本工程于2010年5月份竣工，已投入使用，鋼屋蓋外觀新穎，效果良好，較好地達(dá)到了預(yù)期要求。

[1]GB 50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

[2]JGJ 7-91.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程

[3]JGJ 61-2003，J258-2003.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程

[4]GB5009-2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.2006

[5]GB50011-2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

[6]杜文風(fēng)，張慧.空間結(jié)構(gòu).中國(guó)電子出版社，2008.

[7]馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論與實(shí)踐.人民交通出版社，2006.

[8]約翰·奇爾頓 （作者），高立人（譯者）.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

2017-08-23