天長市全民健身中心體育館大跨度鋼桁架組合樓蓋設計

劉毛方，萬金玉，孟磊

（1.安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 工程概況

天長市全民健身中心項目包含體育場、體育健身綜合館、配套商業(yè)以及室外市民健身運動場地。體育館總建筑面積37926m，內設4295座乙級標準體育館及其訓練館，一個8泳道50m×21m尺寸標準游泳池和一個戲水池。地下一層,地上局部三層，屋蓋完成面最高點28m。屋蓋整體成鉆石切割狀，建筑效果圖見圖1。體育健身綜合館是2022年安徽省第15屆全運會的比賽場館之一。

圖1 天長市全民健身中心體育館

體育館主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，屋蓋和幕墻骨架采用鋼結構。屋蓋平面成圓形，直徑約116.0m，采用四角錐與三角錐結合的網架結構，厚度約3.5m。網架支座位于框架內圈82.8m×63.0m的矩形柱網環(huán)梁和外圈圓形斜柱頂。幕墻骨架采用矩形管單層殼結構，上部與網架的焊接球節(jié)點滑動連接，下部支座位于二層大平臺的框架梁上。鋼結構支座由于受力需要采用了橡膠支座和成品抗震支座。其中訓練館(北)和游泳池(南)上方64.8m×27.0m的大跨度樓蓋。平面布置圖及典型剖面圖見圖2。

圖2 大跨度樓蓋結構平面布置圖及剖面圖

每側樓蓋均設置了十二個牛腿支座，又根據(jù)牛腿所在柱的形狀及尺寸將牛腿柱分為五類。其中KZ1、KZ2為矩形柱，邊長均為1.5 m。KZ3、KZ4為空間傾斜圓柱，直徑1.5m；KZ5為圓形，直徑2.0m，由兩側向中間合攏在柱頂合為叉形，與x軸夾角達63.5。由于圓柱柱頂為屋頂大跨度屋蓋的支座，考慮受力復雜且為關鍵構件，圓柱內均增設型鋼。牛腿的具體布置詳見圖2。

2 結構計算分析

2.1 結構的選型

大跨度樓蓋常用的結構方案有型鋼梁、預應力梁、鋼梁組合樓蓋、鋼桁架組合樓蓋以及鋼網架組合樓蓋等。本工程大跨度樓蓋由于跨度大、荷載重，經過方案對比并綜合考慮跨度、荷載和舒適度等因素最終選用鋼桁架組合樓蓋，作為樓面結構體系。桁架上、下弦及腹桿均采用熱軋寬翼緣H型鋼(Q355B)。但由于A軸交5軸、7～8軸、10軸均為空間斜柱且傾角較大，采用常規(guī)的等高度平行弦桁架會使得桁架下弦與柱子錯位無法連接，考慮單榀桁架為類似簡支梁受力，最終確定采用端部直接收頭的變高度桁架。桁架計算高度2.7m。單榀桁架計算簡圖見圖3。桁架支座放于成品抗震球鉸支座上，抗震支座通過預埋板與混凝土柱牛腿連接。這樣鋼桁架端部可自由轉動，可準確模擬結構支座的實際約束情況，同時成品抗震支座既可以承受豎向荷載，也具有抗水平力的性能，保證地震時不脫落。也大大增加了結構的安全性。樓面采用壓型鋼板組合樓蓋，可避免高、大空間高支模，有效縮短施工工期，大幅降低施工措施費。

圖3 桁架平面計算簡圖

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 恒活荷載

三層樓面使用功能為大眾健身房和活動場地，部分設備房間的圍護墻（蒸壓加氣混凝土砌塊）直接砌筑在樓板上，設計時將此部分墻體線荷載折算為樓面附加活載考慮。無隔墻區(qū)樓面恒載為3kN/m，有隔墻區(qū)樓面恒載為4kN/m。樓面活荷載為4kN/m。

2.2.2 地震作用

本工程的設計地震分組為第二組，抗震設防類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.40s，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)天長地區(qū)抗震設防烈度為7度0.10g，建筑抗震設防類別為標準設防類(座位數(shù)4295)，考慮體育館可能人流密集，根據(jù)《安徽省抗震減災條例》(2012修訂)的規(guī)定，設計時地震烈度提高一檔取為7度0.15g。抗震等級按照大跨度結構取為二級。支撐桁架的混凝土柱性能化設計，按中震彈性計算結果配筋。單獨計算鋼結構時阻尼比ξ＝0.02，下部混凝土結構與上部鋼結構整體計算時ξ＝0.035。計算同時考慮水平和豎向地震作用，豎向地震反應譜影響系數(shù)取為水平地震反應譜影響系數(shù)的65%。

2.2.3 溫度作用

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)，天長地區(qū)的基本氣溫為 -6℃(最低月平均氣溫)；36℃(最高月平均氣溫)。由于鋼結構對氣溫變化較為敏感，對基本氣溫給予修正提高至：-10℃(最低)；40℃(最高)，暫定合攏溫度為：10±5℃，故設計溫度荷載取值為+30℃(溫升)；-25℃(溫降)。

2.3 內力分析

利用北京盈建科軟件公司的YJK系列軟件建立了混凝土和鋼結構整體模型，鋼桁架在空間結構里建模完成。桁架端部與混凝土柱采用鉸接，壓型鋼板用蒙皮模擬導荷，樓板采用彈性樓板假定，柱計算考慮P-△效應。

計算結果顯示桁架上下弦最大應力比約為0.7，構件的長細比和寬厚比均滿足規(guī)范要求。桁架跨中標準組合下最大撓度為30mm，僅為跨度的1/800，滿足規(guī)范要求。同時針對本項目復雜性采用MIDAS軟件進行了結構整體計算復核，MIDAS計算結果與YJK軟件計算結果偏差在5%以內，體現(xiàn)出桁架截面選取合理。由于整體軟件建模時未能考慮支座的實際尺寸，無法準備確得出桁架的支座反力，因此本工程采用了3D3S軟件建立了一榀平面鋼桁架模型進行復核。由于鋼桁架兩端支座與混凝土柱耦合了線位移，故支座約束的準確模擬將是結構復核的關鍵控制因素。本文分析了3種不同的支座約束狀況，并對比了支座反力。狀況1為桁架兩端線位移全約束。狀況2為桁架兩端考慮柱子實際線剛度的彈性約束。柱彈性剛度通過在YJK空間模型里牛腿高度處施加桁架平面內的單位水平力，再根據(jù)對應節(jié)點處的線位移反算得到。狀況3為施工期間先釋放桁架一端支座的平面內線位移約束，待樓蓋上部全部恒載作用完畢后再約束。由于恒載下支座反力已有效釋放。該工況下桁架支座的平面內實際反力近似等于桁架上部荷載僅有活荷載作用下的支座反力。最不利工況下不同支座約束狀況的支座反力對比，詳見表1。

不同支座約束狀況的支座反力對比 表1

從表1中結果對比可以看出，考慮柱的彈性剛度后，桁架支座反力Ry可降低46%，但是數(shù)值仍很大，支座設計存在巨大困難。在考慮施工期間的釋放后，桁架平面內的支座反力Ry可再降低35%，由此可見采取一定的措施可有效降低正常使用期間的支座反力。

3 結構設計

3.1 鋼桁架及樓蓋設計

樓蓋采用130mm厚的組合樓蓋，樓承板采用了壓型鋼板。桁架上弦間設次梁作為壓型鋼板的支座，下弦間設置的次梁作為下弦平面外的支撐，同時也可作為樓蓋下部建筑吊頂?shù)闹鼾埞恰ｈ旒苌稀⑾孪覘U和腹桿均采用寬翼緣高頻焊H型鋼。由于游泳館上空吊頂后的有效高度需滿足7m的凈空，經過與設備專業(yè)協(xié)調，設備的管道均從桁架上下弦桿間空隙敷設。常規(guī)的節(jié)點板螺栓連接由于桿件角度問題占據(jù)了較大有效空間，故決定桁架的節(jié)點采用工廠相貫節(jié)點。桁架全跨分為2段，由工廠制作完畢后現(xiàn)場吊裝拼接。

3.2 支座設計

本項目組合樓蓋跨度大、荷載重，雖然采用了施工期間的支座反力釋放，但在最不利荷載工況下，桁架的支座反力RY仍有2134kN。將給預埋板和牛腿設計帶來困難。故為有效抵抗沿桁架平面內的水平力，在柱子側面設置預埋板，通過節(jié)點板與桁架連接。最不利工況下桁架的水平力，一部分通過小立柱傳給抗震支座的預埋板，另一部分由側面節(jié)點板的螺栓直接傳給柱子。側面節(jié)點板設置的7個M20的A級螺栓可承擔約700kN的水平力，其余1500kN由牛腿承擔，牛腿配筋按此水平力復核。同時對應柱子高度處施加水平力復核柱配筋。牛腿支座詳見圖4。鋼桁架支座放置在牛腿上，為準確模擬支座的約束情況，實現(xiàn)支座端部的自由轉動，本項目采用了成品抗震球鉸支座，詳見圖5。

圖4 典型支座

圖5 抗震球鉸支座大樣

3.3 復雜牛腿節(jié)點設計

混凝土牛腿受力復雜，且由于KZ3～KZ5均為X、Y兩方向均傾斜的空間斜柱，詳見圖6。為便于牛腿與混凝土柱連接，牛腿也沿柱子傾斜方向放置，但牛腿頂部切成水平面放置抗震支座，故本項目牛腿為空間異型構件，《混凝土結構設計規(guī)范》提供的牛腿公式無法準確適用本項目。為確保結構安全，在公式計算配筋的基礎上采用通用有限元軟件ABAQUS建立了三維實體模型復核。有限元法的優(yōu)點是可以從三維角度深入地分析構件的受力機理，且計算較為精確。

圖6 牛腿布置

混凝土采用彌散開裂模型。彌散開裂模型對于混凝土裂面行為的模擬較為準確，適用于分析混凝土開裂后應力-應變空間不斷變化的受力情況。鋼材和鋼筋的本構關系采用理想彈塑性模型，且不考慮屈服后的強度硬化。牛腿柱和牛腿均采用C40混凝土，鋼筋采用HRB400，柱內型鋼采用Q355B鋼材。混凝土及十字型鋼均采用C3D20R六面體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元。型鋼表面設有栓釘，能夠在很大程度上保證混凝土和型鋼之間的共同工作，二者之間采用Tie約束。由于鋼筋和混凝土之間的滑移較小，故采用Embed約束。模型中牛腿柱的下端采用固定約束，上端僅約束水平向位移和z軸轉動。網格劃分如圖7所示。

圖7 牛腿網格

牛腿上的內力由3D3S導出，最不利荷載工況為1.3恒載+1.5×0.7活載+1.5降溫。各種類型牛腿的內力詳見表2。

牛腿荷載 表2

分析結果的應力云圖可以看出牛腿應力最大處出現(xiàn)在牛腿柱的彎起鋼筋和柱子縱向鋼筋上，鋼筋最大應力為264MPa，均未屈服；混凝土最大等效塑性應變?yōu)?.67×10-4。表明節(jié)點具有良好的延性，節(jié)點設計安全可靠。部分牛腿的PEEQ云圖與S.Mises云圖見圖8。

圖8 部分牛腿的PEEQ云圖與S.Mises云圖

4 結論

①鋼桁架組合樓蓋適用于跨度大，荷載重的大跨度樓蓋。本項目經對比并綜合考慮跨度、荷載和舒適度等因素，最終選用鋼桁架組合樓蓋作為樓面結構體系。

②鋼桁架支座設計對溫度荷載很敏感，通過計算對比發(fā)現(xiàn)采取合理的施工順序可以有效地釋放桁架平面內支座反力，減少正常使用期間的支座負擔。

③本項目采用的抗震型球鉸支座采用超高分子聚乙烯材料，不存在橡膠老化問題，安全可靠。本文準確模擬支座的約束情況，實現(xiàn)了支座端部的自由轉動，因此在大跨度結構里應推薦使用。

④針對復雜的混凝土節(jié)點，應補充三維有限元分析。通過合理的建模，材料之間選擇適合的接觸方式，并綜合考慮鋼筋和混凝土材料的云圖結果以確保結構安全。