毛里求斯綜合體育中心游泳館鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

房鵬鵬，鄭春林

（中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京100088）

1 工程概況

本工程位于毛里求斯首都路易港。綜合體育中心擁有綜合體育館、游泳館、體育場和足球場。該中心是毛里求斯最大的體育中心，也是首個達到國際標(biāo)準(zhǔn)的體育場館。2019 年7月，第十屆印度洋島國運動會在該中心舉辦。游泳館為中國政府試點采用受援國自建模式建設(shè)的經(jīng)濟援助項目，其中建筑方案設(shè)計為南非公司，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計為英國公司，中方為深化設(shè)計單位，結(jié)構(gòu)專業(yè)需將歐洲鋼材替換為中國鋼材，并按歐洲標(biāo)準(zhǔn)進行施工圖設(shè)計[1，2]。圖1 為游泳館現(xiàn)場施工照片。

圖1 游泳館現(xiàn)場施工照片

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

整個鋼屋蓋（見圖2）由4 個鋼筋混凝土方形空心柱支承，柱距66.65m×46.96m，柱截面尺寸2.5m×2.5m，柱壁厚0.4m。屋頂最高點離地面高度約19m。鋼屋蓋平面尺寸為69.2m×49.51m，上弦面為雙坡屋面，坡度1：47.6（相對高差700mm）；下弦面為反對稱雙曲面；采用平面桁架體系，由2 榀相同主桁架、13 榀不同的次桁架及若干聯(lián)系構(gòu)件、支撐組成。平面主桁架軸線高度最大4.34m，最小3.35m；次桁架根據(jù)造型高度在2.67～4.72m 變化。桁架與混凝土柱頂之間采用商品鉸支座，其中西南位置為固定鉸支座，東南位置（釋放東、西方向位移）與西北位置（釋放南、北方向位移）為單向滑移支座，東北位置為雙向滑移支座。

圖2 屋蓋三維軸測圖

3 分析條件及設(shè)計要求

3.1 荷載及作用

根據(jù)外方SPEC（技術(shù)說明）要求，結(jié)構(gòu)分析中考慮如下荷載：（1）結(jié)構(gòu)自重：由計算程序自動計入；（2）恒載：金屬維護系統(tǒng)屋面0.70kN/m2，吊頂0.30kN/m2，墻面0.50kN/m2，馬道1.0kN/m；（3）活載：屋面0.50kN/m2，馬道1.5kN/m，排水溝4.0kN/m；（4）風(fēng)荷載[3]：考慮50a 重現(xiàn)期的峰值速度風(fēng)壓取3.3kPa，結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.0；壓力系數(shù)：迎風(fēng)面0.8、背風(fēng)面0.5、側(cè)面0.7、上下面凈壓力系數(shù)取-1.4 與0.5 2 種情況；（5）名義水平力：重力荷載值的0.5%；（6）強制位移：每個混凝土柱考慮豎向收縮及基礎(chǔ)不均勻沉降30mm，柱頂任意方向考慮側(cè)移50mm，并做不同排列組合；（7）溫度作用：±50℃；（8）地震作用[4]：水平地震基本加速度取0.15g，按底部剪力法進行校核驗算；（9）偶然荷載：關(guān)鍵構(gòu)件表面考慮34kPa 作用力進行校核驗算。

3.2 荷載組合

主要內(nèi)力基本組合：1.35 恒+1.5 活+0.9 風(fēng)+0.9 溫+1.0 名義水平力+1.0 沉降及側(cè)移；1.35 恒+1.5 風(fēng)（向上）+0.9 溫+1.0名義水平力+1.0 沉降及側(cè)移；1.0 恒+1.5 風(fēng)（向下）+0.9 溫+1.0名義水平力+1.0 沉降及側(cè)移。

主要位移標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0 恒+1.0 活；1.0 恒+1.0 風(fēng)；1.0 恒+1.0 溫；1.0 恒+1.0 風(fēng)+0.6 溫；1.0 恒+0.6 風(fēng)+1.0 溫。

3.3 構(gòu)件截面

主桁架弦桿：焊接H 型鋼H450mm×500 mm×30mm×30mm、H450mm×500mm×30mm×35mm、H450mm×550mm×35mm×35mm；腹桿：焊接方管及冷彎方管□500mm×35mm ～□250mm×10mm。

次桁架弦桿：焊接H 型鋼H450mm×400mm×18mm×18mm、H450mm ×400mm ×18mm ×22mm、H450mm ×400mm ×18mm ×25mm、H450mm×450mm×18mm×30mm；腹桿：冷彎方管□300mm×12mm～□160mm×6mm。

聯(lián)系桿件：冷彎方管□180mm×8mm、□160mm×6mm、□200mm×8mm、熱軋H 型鋼HW200mm×200mm×8mm×12mm。

水平支撐：圓管φ219mm×12mm、φ203mm×8mm。

主鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B。

3.4 設(shè)計要求

1）設(shè)計使用年限：50a；

2）屋蓋豎向撓度：荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下不超跨度L的1/250；可變荷載頻遇組合作用下不超跨度L的1/300；

3）屋蓋側(cè)向變形：荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下不超高度H的1/500；

4）屋蓋自振頻率不小于1Hz，以避免增強風(fēng)振效應(yīng)；

5）考慮結(jié)構(gòu)變形及安裝制造誤差后的屋面坡度應(yīng)不小于1：80[5]。

4 主要計算結(jié)果

4.1 構(gòu)件應(yīng)力比

采用建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析與設(shè)計軟件MIDAS/Gen海外版對結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)Eurocode 3 的相關(guān)條款進行驗算，最大構(gòu)件應(yīng)力比為0.867，所有構(gòu)件應(yīng)力比均小于1.0，如圖3所示。

4.2 自振模態(tài)

屋蓋結(jié)構(gòu)前4 階自振模態(tài)見表1，第一周期大于1Hz，滿足SPEC 要求。

表1 結(jié)構(gòu)前4 階自振模態(tài)

圖3 構(gòu)件驗算應(yīng)力比示意圖

4.3 豎向撓度

（恒載+下壓風(fēng)載）標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，最大相對撓度出現(xiàn)在邊榀次桁架跨中，撓跨比為Δ/L=（213-2）/66 650=1/316＜1/250，如圖4 所示。考慮撓度及安裝制造誤差（50mm）后的屋面坡度為（700-213+2-50）/（66 650/2）=1：75.9＞1：80，滿足SPEC 要求，故屋蓋未做預(yù)起拱處理。

圖4 邊榀次桁架位移圖

5 支座更換設(shè)計

由于屋蓋桁架支座采用商品支座，外方要求支座需考慮在設(shè)計使用年限內(nèi)的更換，提供支座更換的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及操作步驟。對此進行詳細的支架設(shè)計，提供了支架具體的尺寸參數(shù)（見圖5）以及更換支座的操作步驟（見圖6）。另外，對更換過程進行詳細的施工過程模擬計算，保證技術(shù)措施的可實施性。

6 結(jié)語

對采用中國鋼材按歐洲標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計的典型工程進行了詳細的設(shè)計過程介紹。分析計算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范及SPEC 要求。隨著“一帶一路”倡儀的不斷推進，我國設(shè)計企業(yè)參與的海外項目也將越來越多，采用中國鋼材按歐洲標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計的項目也將難以避免，希望本工程的順利實施能有一定的參考意義。

圖5 支座更換支架設(shè)計

圖6 支座更換過程示意圖