某校體育館折型屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凌 勁

（華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 540640）

1 工程概況

隨著全民健身的興起，各類體育場館如雨后春筍般出現(xiàn)，充分開挖了設(shè)計(jì)師們的想象力。本文所涉體育館集籃球、羽毛球、排球等活動(dòng)于一體的多功能場館。整個(gè)體育館由屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和底部兩層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成。其中，屋蓋樣式是高低不等的連續(xù)波浪折線型，通過內(nèi)退懸挑等技術(shù)手法，營造出空中樓閣的靜謐和通透感。

該屋蓋水平投影面積為48m×49m，柱間距縱向9m，橫向42.8m。東西北面從柱子處水平投影均懸挑出去2.9m。折型屋蓋的最小波峰為3.59m，最大波峰為5.56m。體育館效果圖如圖1所示。

圖1 體育館效果圖

2 屋蓋結(jié)構(gòu)選型

屋蓋支撐在下部混凝土柱上，按最大跨度42.8m設(shè)計(jì)布置，首選平面桁架作為受力體系。

初步屋蓋結(jié)構(gòu)布置考慮折線形式加上波峰的高度，當(dāng)加以利用將提升整個(gè)室內(nèi)空間感。將受力桁架放入波峰處，但底層建筑空間的功能性，限制了波峰處無法設(shè)置支撐柱子。此空間優(yōu)勢在本工程無法得到利用。只能將受力桁架放入低處。

本工程折型造型，考慮其類拱效應(yīng)，屋蓋布置如圖2所示，整個(gè)體系平面桁架作為受力體系且加上隨形態(tài)走勢的穩(wěn)定桁架，檁條東西向布置。

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖（一）

圖2布置形式看上去很貼近屋蓋造型，但受力路徑不夠清晰，且折線型桁架布置過密。同時(shí)南北側(cè)的懸挑過多，局部薄弱趨勢明顯。南側(cè)桁架布置，由于下部支撐柱子緣由，顯得結(jié)構(gòu)布置不合理。

基于以上分析，進(jìn)行協(xié)調(diào)與改造。將南側(cè)改成懸挑桁架來進(jìn)行承載，北側(cè)的柱子在底部建筑允許的范圍內(nèi)盡可能的調(diào)整到邊緣處。減小穩(wěn)定桁架的數(shù)量，由于主要是為了穩(wěn)定平面桁架的平面外穩(wěn)定，因此把折線形式直接拉平與低處的受力桁架同標(biāo)高。平面桁架作為受力體系，設(shè)計(jì)檁條首傳力至其上，且隨著折型屋蓋走勢變化，讓檁條在其內(nèi)部考慮類拱效應(yīng)。考慮空間以及經(jīng)濟(jì)性，將受力桁架調(diào)整成變截面形式。最終確定如圖3的布置形式。

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖（二）

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及荷載

屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。構(gòu)件的應(yīng)力比控制在0.9以下。長細(xì)比、變形等其他設(shè)計(jì)要求依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范等進(jìn)行［1］。

由于地域關(guān)系，本工程的荷載作用主要考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用和溫度作用。恒荷載屋蓋系統(tǒng)及檁條等為1.0kN/m2。活荷載取0.5kN/m2。溫度作用升降30oC考慮。其余的荷載作用依據(jù)抗震規(guī)范、荷載規(guī)范以及地勘報(bào)告等進(jìn)行取值［2-3］。荷載間的組合系數(shù)情況（注：該工程設(shè)計(jì)時(shí)使用規(guī)范為舊版規(guī)范），如表1所示。

表1 荷載工況組合系數(shù)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋部分采用軟件3D3S進(jìn)行計(jì)算分析。為減弱鋼結(jié)構(gòu)屋蓋對(duì)下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響，以鉸接的形式與下端的混凝土進(jìn)行連接。

4.1 分析模擬方法

為更大程度的實(shí)現(xiàn)屋蓋桁架的安全可靠設(shè)計(jì)，本工程考慮過兩種方法。

第一種分析方法：將屋蓋當(dāng)成獨(dú)立單體進(jìn)行分析，與下端的連接方式設(shè)計(jì)成支座，如圖4所示。此種方法將受力桁架剖分成一榀榀類似簡直梁，一端鉸接，另一端釋放沿桁架方向的位移。整體忽略側(cè)向位移的影響。

圖4 屋蓋結(jié)構(gòu)分析圖（一）

以上假定其實(shí)與屋蓋的實(shí)際支撐情況有出入，但考慮整體側(cè)向剛度對(duì)桁架受力分析影響并不是特別突出，且屋蓋在這種約束下沒有了桿件間以及下面更多的協(xié)調(diào)變形釋放，在桿件設(shè)計(jì)方面其實(shí)是偏于保守安全的。再加上操作的方便快捷，因此該方法具有一定的可取性。

第二種分析方法：采用變形協(xié)調(diào)方式，將屋蓋與下部混凝土作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 屋蓋結(jié)構(gòu)分析圖（二）

此種模擬方法貼近實(shí)際情況。屋蓋桁架變形帶來的內(nèi)力影響通過下部混凝土的協(xié)調(diào)變形進(jìn)行緩沖抵消，整體屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更顯得優(yōu)化性。因此本工程基于此方法進(jìn)行了屋蓋結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。

4.2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

本工程根據(jù)經(jīng)濟(jì)安全施工方便等原則，主要受力桁架的截面選擇了方形管，腹桿采用了矩形管，最大截面250×250×16，最小截面100×250×6。雖然傳統(tǒng)的圓管在各方向上的抗彎抗扭性更優(yōu)，但實(shí)際施工當(dāng)中相貫焊接是無法做到中心對(duì)接中心，形成偏心誤差，因此選擇矩形管能避免該問題，且在平面受力體系上矩形管能滿足剛度和穩(wěn)定要求。由于屋蓋波浪折型走勢，使得檁條水平跨度較大，桁架間的每條檁條構(gòu)成獨(dú)立的類拱受力體系，本工程采用H鋼，截面H248×124×5×8和H244×175×7×11。

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，前四振型如圖6所示。從周期來看，整個(gè)體育館的結(jié)構(gòu)剛度較好。

圖6 屋蓋結(jié)構(gòu)前四振型圖

屋蓋結(jié)構(gòu)中的桿件驗(yàn)算，主要考慮強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的因素影響，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行復(fù)核。該體育館的應(yīng)力云圖如圖6所示。應(yīng)力比均控制在0.9以下，最大應(yīng)力比0.8，能夠滿足安全設(shè)計(jì)要求。

圖7 屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中除了剛度強(qiáng)度等因素，還需考慮整體變形。根據(jù)鋼規(guī)，在永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值情況下產(chǎn)生的撓度值不允許超過跨度1/400，該體育館的跨度42.8m，即本工程最大變形值為107mm。模擬分析中，屋蓋最大變形值為105mm，接近限值。為了改善屋蓋外觀和使用條件，一般將受力構(gòu)件進(jìn)行預(yù)起拱處理。起拱數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要而定，一般為恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值。本工程根據(jù)不同位置處受力桁架變形情況，進(jìn)行50mm 到70mm大小的預(yù)先起拱處理。

5 結(jié)語

建筑形態(tài)的發(fā)展也促使了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，同時(shí)建筑的功能空間一定程度上也制約了結(jié)構(gòu)布置的施展。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要結(jié)合建筑造型且考慮結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)濟(jì)以及施工的方便性。

本文折型屋蓋的設(shè)計(jì)通過方案布置的對(duì)比，模擬方式的實(shí)現(xiàn)以及強(qiáng)度、剛度變形等角度出發(fā)，基本滿足以上要求。