體育館建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

丁艷梅 向代勤

體育館建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

丁艷梅 向代勤

Ti yu guan jian zhu jie gou she ji fen xi

體育館屬于特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型。這類結(jié)構(gòu)一般中間為體育活動(dòng)場(chǎng)地，四周為斜樓板的看臺(tái)或是狹長(zhǎng)的走廊，頂部一般為大跨度的網(wǎng)架、桁架或其他鋼結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)有很多不同，本文結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例對(duì)體育館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了科學(xué)的分析和闡述。

一、項(xiàng)目概況

擬建的體育公園項(xiàng)目規(guī)劃用地位于福建省某工業(yè)園區(qū)。由體育館、游泳館、訓(xùn)練館及商務(wù)中心組成。結(jié)構(gòu)形式：建筑結(jié)構(gòu)形式主體為框架結(jié)構(gòu)，屋蓋系統(tǒng)為大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.自然條件分析

本工程所在地區(qū)自然條件有關(guān)參數(shù)取值如下：

（1）基本雪壓：50年一遇的基本雪壓0.25 kN/m2。

（2）基本風(fēng)壓：50年一遇的基本風(fēng)壓 0.35 kN/m2，地面粗糙度為B類。

（3）抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

（4）地質(zhì)條件：

①根據(jù)地質(zhì)資料及場(chǎng)區(qū)環(huán)境和地質(zhì)勘察報(bào)告建議，本工程訓(xùn)練館基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁。直徑φ800mm，樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為：C30，沖孔灌注樁以中風(fēng)化粉砂巖為樁基持力層，樁端進(jìn)入持力層深度1.0m，單樁豎向承載力特征值為2000kN。游泳館、體育館和商業(yè)平臺(tái)的基礎(chǔ)擬采用獨(dú)立柱基加墩基，以中風(fēng)化粉砂巖或強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖為基礎(chǔ)持力層。地基承載力特征值分別為fk=1200kPa或fk=300kPa）。

②本工程建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地土類型為中硬場(chǎng)地土，場(chǎng)地特征周期為0.35s。

③本場(chǎng)地內(nèi)存在厚度較大的軟弱土層，且體育館的東北側(cè)存在邊坡，故場(chǎng)地屬于抗震不利地段。

④場(chǎng)地內(nèi)無(wú)活動(dòng)性斷裂帶通過(guò)，屬區(qū)域穩(wěn)定區(qū)，未見滑坡和崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)隱伏溝浜、池塘、古井等對(duì)地基安全不利的地下埋藏物，適宜本工程的建設(shè)。

⑤場(chǎng)區(qū)地下水主要賦存于素填土中，大氣降水是場(chǎng)地地下水主要補(bǔ)給來(lái)源。場(chǎng)區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性；場(chǎng)地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

⑥本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，可不考慮砂土液化問(wèn)題。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）本工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年。

（2）建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。

（3）建筑抗震設(shè)防類別：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（簡(jiǎn)稱丙類）。

（4）工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：乙級(jí)。

（5）地下工程防水等級(jí)為一級(jí)。

（6）建筑防火分類為一類；建筑耐火等級(jí)為一級(jí)。

3.荷載標(biāo)準(zhǔn)值

主要活荷載標(biāo)準(zhǔn)值見下表，其它未列項(xiàng)目按現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)。有特殊使用要求荷載由業(yè)主提供。

4.樓面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值

樓面恒荷載包括內(nèi)外填充墻、粉刷、各種裝修荷載，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)建筑裝飾做法據(jù)實(shí)統(tǒng)計(jì)后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

三、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對(duì)于大空間結(jié)構(gòu)，存在支撐屋蓋的框架柱高度較大（23.0 m），且為單排柱或局部單跨框架（局部看臺(tái)及輔助用房存在單跨框架），大跨框架柱柱底與基礎(chǔ)為固接，柱頂與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鉸接；看臺(tái)斜板對(duì)結(jié)構(gòu)有推力，對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震有影響，設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略其影響；樓板開大洞口且剛度有限。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于重要的支撐大跨網(wǎng)架的框架柱應(yīng)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范總則的要求，建筑物在遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不損壞或不需修復(fù)仍可使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。為此，針對(duì)中小型體育館等大空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需關(guān)注的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和大家一起探討。

四、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件及主要結(jié)論

采用兩種不同軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析：上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算及基礎(chǔ)計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件”SATWE（V2.2 版）、JCCAD，采用北京盈建科軟件股份有限公司“多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算分析與設(shè)計(jì)軟件YJK”進(jìn)行復(fù)核計(jì)算；網(wǎng)架工程采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SFCAD2006進(jìn)行滿應(yīng)力分析設(shè)計(jì)。

STAWE進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，鋼網(wǎng)架屋面采用鋼梁鉸接撓度相等的原則簡(jiǎn)化計(jì)算。YJK進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體補(bǔ)充計(jì)算分析，準(zhǔn)確地計(jì)入網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剛度對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)上述計(jì)算軟件分析，本工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期的前兩個(gè)周期以平動(dòng)為主，第三周期以扭轉(zhuǎn)為主，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值為0.81，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)振型曲線及位移曲線連續(xù)光滑。底層剪重比、位移角、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比、柱軸壓比、豎向剛度比等主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)均滿足規(guī)范要求，且在合理范圍之內(nèi)。本工程結(jié)構(gòu)布置基本合理，結(jié)構(gòu)計(jì)算有效。

五、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及加強(qiáng)措施

該工程梁、柱、板、基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，梁、柱、板鋼筋均采用HRB400 級(jí)熱軋鋼筋。框架柱截面尺寸1200mm×1500mm。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須做以下加強(qiáng)計(jì)算分析及抗震加強(qiáng)措施：

1.采用兩種不同軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析：上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算及基礎(chǔ)計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件”SATWE（V2.2 版） 、JCCAD，采用北京盈建科軟件股份有限公司“多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算分析與設(shè)計(jì)軟件YJK”進(jìn)行復(fù)核計(jì)算；網(wǎng)架工程采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SFCAD2006進(jìn)行滿應(yīng)力分析設(shè)計(jì)。STAWE進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，鋼網(wǎng)架屋面采用鋼梁鉸接撓度相等的原則簡(jiǎn)化計(jì)算。YJK進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體補(bǔ)充計(jì)算分析，準(zhǔn)確地計(jì)入網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剛度對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響。

2.對(duì)于構(gòu)件的配筋采用SATWE及YJK計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值設(shè)計(jì)。

3.對(duì)周邊支承網(wǎng)架的框架柱按中震不屈復(fù)核抗彎承載力，中震抗剪彈性復(fù)核抗剪承載力的性能設(shè)計(jì)。周邊支承網(wǎng)架的框架柱，抗震等級(jí)提高一級(jí)，為特一級(jí)。同時(shí)滿足大震下彈塑性層間位移角小于1/50的要求。

4.支撐網(wǎng)架屋蓋的框架柱應(yīng)采用型鋼混凝土柱；周邊支承網(wǎng)架的單邊梁宜按正截面中震不屈服、斜截面中震彈性設(shè)計(jì)，周邊梁按通長(zhǎng)配筋。

5.整體計(jì)算模型應(yīng)考慮鋼屋蓋和下部結(jié)構(gòu)共同工作；樓板整體性很差，應(yīng)增加按空樓板模型計(jì)算，并與有樓板模型結(jié)果按包絡(luò)值設(shè)計(jì)。

6.增加按單榀框排架計(jì)算模型，并與整體模型結(jié)果比較按包絡(luò)值設(shè)計(jì)。

7.看臺(tái)斜梁與上、下樓層整體連接，計(jì)算時(shí)應(yīng)按斜梁輸入，考慮其斜撐剛度；屋面高度有高差，在計(jì)算時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況考慮。

8.網(wǎng)架屋蓋進(jìn)行豎向整體抗震驗(yàn)算。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，體育館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的工作。本文根據(jù)具體的工程項(xiàng)目，進(jìn)行了科學(xué)分析，以此提高體育館整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

（作者單位：丁艷梅，宜昌市建筑設(shè)計(jì)研究院；向代勤，宜昌市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)）