巴中市體育中心大跨度鋼結構設計與研究

蔣一波

（中電建路橋集團西部投資有限公司，成都 610041）

1 引言

巴中市體育中心是巴中市的重要基礎設施，地處經濟開發區，占地面積達到了113 524m2，總體建筑面積在6×104m2以上，在整個建設過程中，分別涉及了體育場建設、地下結構施工。根據對幾種結構選擇的對比，鋼筋混凝土框架結構最為合適，且在整個結構中不設伸縮縫，但要通過后澆帶和環向分段張拉預應力的設計，來實現混凝土結構的優化。在體育場屋蓋結構外部，立面單層網殼結構更為合適，有效滿足了體育場館的結構標準。

2 設計概況

體育中心的大跨度鋼結構中，以看臺和屋蓋鋼結構為主，從整個結構體系的劃分來看，看臺和停車場采用的是混凝土框架結構。而屋蓋鋼結構中，單層網殼結構和索承網格結構的配合獲得了更為理想的結構設計效果。在該大跨度鋼結構內，懸挑跨度為45.5m。

3 鋼結構深化設計方案

3.1 鋼結構深化設計準備工作

大跨度鋼結構設計時，要保障設計效果，需做好前期的準備性工作：（1）獲得有關的設計文件。鋼結構施工圖、設計變更等設計文件都要及時提供給總承包方，總承包方在獲得這些文件以后，要將這些都及時發送給施工單位。（2）設計圖交底。交底是前期非常關鍵的工作，由業主方組織，設計單位要對技術交底的流程加以全面掌握，并將其全部流程加以記錄。（3）確定最終的設計要求。總承包方需在一定的時間范圍內來收集其他各個部門對鋼結構設計的標準與要求，并在結構設計時充分滿足這些設計標準，使得各個細節性問題都能夠在設計方案中得以解決，設計方案審核通過以后，將最終的圖紙文件提交給施工單位，從而保證施工單位能夠依據這些設計要求來開展規范化的施工作業。（4）確定分段方案和臨時安裝措施。整個鋼結構中包含的構件相對較多，為使得安裝作業有序進行，必須要開展分段安裝作業，安裝單位需嚴格考慮安裝方案和施工方案，與設計單位協商以后正式開始實施[1]。（5）圖紙答疑和會審。施工單位需結合最終所確定的方案，來全面掌握各個設計圖紙的細節，從分段可行性和運輸可行性的角度，與有關的安裝施工人員做好全面協調，通過對構件拆分順序、細部尺寸、焊接工藝與順序等的全面規劃，與安裝單位交流以后，確定最佳的現場安裝方案，將最終所確定的節點形式提交給設計單位審核與確認。（6）深化圖紙設計準則的編制，編制過程中要全面綜合多種設計要點、整合所有資料。（7）深化設計計劃的編制。

3.2 鋼結構構件截面類型、材質分析

3.2.1 外部立面網殼結構

由于體育中心鋼結構的特殊性，外部立面網殼結構的構成復雜，設計施工難度較大，其結構中以單層網殼、入口桁架、桁架支撐柱為主。單層網殼是由弧形圓鋼管相貫形成的，而入口桁架的上下弦采用的是箱型彎扭構件。

3.2.2 上部索承網格結構

上部索承網格作為大跨度鋼結構中的重點結構，在該結構中同樣包含了一些其他的結構，預應力索、上部網格和支撐結構是形成上部索承網格的關鍵。預應力索主要采用的是環向索和徑向索，支撐結構的存在使得索和上部網格可以有效連接起來，并起到重要的支撐作用，上部網格同樣是由弧形圓鋼管相貫形成的，索桿體系中的支撐構件內，上下節點之間只有保持了良好的連接性，才能夠使得整體結構達到標準。連接是用銷軸鉸接來實現的[2]。

3.2.3 外圈環梁及立柱

外圈環梁和立柱中，環梁和立柱是結構中的關鍵要素。其中，環梁是由彎圓圓管所構成的，立柱下部是支撐體系中的重要構成，其直接埋入混凝土結構內部，且與外部網殼相貫連接起來，在整個鋼結構中起到了重要的支撐作用。

3.3 節點類型分析

巴中市體育中心的鋼結構總體上呈現出曲面形狀，預應力結構的特殊性、龐大性使得在結構體系內包含的節點數量非常多且種類繁多，不僅有索承網格相貫節點、立面網殼相貫節點，還存在徑向撐桿上部節點、外環立柱柱頂節點等，各個節點都在整個鋼結構中發揮著重要的作用，節點之間的相互連接使得整個結構更為穩固[3]。對于結構體系中的相貫節點，由于整個鋼結構為曲面造型，使得相關人員在施工建設時，可以通過彎圓擬合來實現節點區域的平滑過渡。

3.4 鋼結構節點建模

3.4.1 節點建模流程

鋼結構構件的種類繁多、數量龐大，各個連接構件節點都存在性質、種類的不同，節點建模過程中，要嚴格按照以下流程來開展：（1）根據工程的設計圖紙，明確掌握整個結構中的各個復雜構件和復雜節點位置，在此基礎上建立完整的模型，從而使得節點安裝信息符合實際的結構特征；（2）嚴格根據設計與施工荷載，對復雜構件、節點等進行有限元分析，且要根據分析結果與設計單位有效溝通；（3）由于工廠加工和現場安裝條件的特殊性，有關人員需嚴格保障各個構件的尺寸、位置的精確性，并選擇恰當的焊接方式，進行模型的檢查[4]。

3.4.2 網殼相貫節點設計

體育中心的結構復雜，各個桿件的角度、位置都存在著一定的差異性，再加上在桿件相交處存在相貫節點的設計，節點區域的壁厚加強，節點作為各個桿件的交接處，與整個結構的穩固性存在緊密的關系。結構深化設計需從兩方面來開展：（1）建筑造型是決定節點類型的關鍵因素。由于巴中市體育中心為曲面造型，在節點設計時，彎圓形式的設計非常有效，在節點段獨立開展圓弧擬合設計，斜向主管率先進行控制點圓弧擬合，再結合節點的長度指標來適當加厚[5]；（2）對于相似性高且存在不同的節點而言，在設計時最好選用參數化設計方式，一些工程企業已經采用了AutoCAD軟件，設計出了深化軟件系統，在此該系統中可以充分實現相貫節點的自動連接，在系統內集成全部的結構信息。

3.4.3 外圈立柱頂部節點設計

外圈立柱頂部節點作為整個結構體系中的重要構成，外部立面網殼和上部索承網格之間的分界是由外圈環梁和立柱來實現的，這一特殊結構、連接方式下，外圈環梁和立柱位置處形成了多桿件、多接點、多形式的節點，根據體育場館的總體設計標準，立柱柱頂的截面應該設計在約1 400mm處，以通過這一截面設計來保障節點設計和連接的便捷性。柱頂與下部鋼立柱的連接過程中，需采用變截面椎管。

4 結語

近年來，隨著我國工程項目的增多，大跨度鋼結構體系已經在很多的工程中得到了有效應用，但在這些結構設計中，大多都會遇到結構設計難度大的問題。為保障大跨度鋼結構的整體質量，在設計施工的過程中，工程設計人員必須要從工程的實際設計出發，充分采用恰當的設計方式，實現結構設計的優化。