月牙形大跨度鋼罩棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

高斌斌，李元，夏堯

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥230601）

1 工程概況

某縣級體育中心，建筑面積約30 000 m2，固定座位數(shù)約1.5 萬個，分為西側(cè)看臺與東側(cè)服務(wù)配套用房。體育場效果圖如圖1 所示。西側(cè)混凝土看臺上方設(shè)置鋼罩棚。鋼罩棚采用月牙形，東西向長220 m，南北向?qū)?2 m，結(jié)構(gòu)最大高度50 m，最大懸挑長度約18 m。鋼罩棚三維軸測圖如圖2 所示。

圖1 體育場效果圖

圖2 鋼罩棚三維軸測圖

鋼罩棚主要由前拱桁架、后拱桁架及屋面徑向次拱桁架組成，頂部三角形鏤空桿件按裝飾構(gòu)件考慮，非主受力構(gòu)件。環(huán)向后拱桁架支承于混凝土柱，前拱桁架支座采用鑄鋼鉸支座節(jié)點，埋入拱腳混凝土基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及荷載

建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速為0.1g。由于該建筑抗震設(shè)防類別為重點類，因此地震作用計算采用7 度0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類，Tg=0.55 s，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08[1]。鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，混凝土部分阻尼比取0.05。

鋼罩棚荷載包括結(jié)構(gòu)自重、吊掛荷載、活荷載、地震作用、溫度影響、裹冰荷載、風(fēng)荷載及支座位移，結(jié)構(gòu)自重由計算軟件自動統(tǒng)計，其余荷載按荷載規(guī)劃和實際情況考慮[2,3]。體育場館內(nèi)屋面風(fēng)荷載，通常為控制荷載，應(yīng)當引起足夠的重視[4]。通長可采取數(shù)值模擬或風(fēng)洞試驗來確定風(fēng)荷載取值。本工程罩棚荷載取值，按類似工程的風(fēng)場數(shù)值模擬結(jié)果取值。迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)+1.3，背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)-1.3，屋頂風(fēng)吸系數(shù)-1.3，屋頂風(fēng)壓系數(shù)+0.5；組合值系數(shù)取0.6，風(fēng)振系數(shù)取2。溫度荷載根據(jù)規(guī)范取值，當?shù)啬曜罡邷囟?7 ℃，最低溫度-8 ℃。最大溫差45 ℃，設(shè)計合龍溫度按15 ℃考慮。

3 設(shè)計指標

非抗震組合和常遇地震組合，重要桿件應(yīng)力比不大于0.8，一般桿件不大于0.85。中震不屈服組合，桿件應(yīng)力比≤1.0（不考慮承載力調(diào)整系數(shù)）。屋蓋關(guān)鍵構(gòu)件壓桿長細比≤120。一般壓桿長細比≤180，屋蓋拉桿長細比≤200。荷載與活載組合、恒載與風(fēng)載組合下屋蓋撓度≤L/250，主拱撓度≤L/400（L為跨度）。

4 靜力分析

利用Midas Gen 進行整體結(jié)構(gòu)彈性計算分析，空間桁架結(jié)構(gòu)采用桁架單元建模，拱腳邊界條件為鉸接，混凝土柱頂?shù)膹较蜩旒苤c為鉸接。尾部V 形拉桿與混凝土牛腿亦為鉸接。

鋼結(jié)構(gòu)罩棚在1.0 恒載+1.0 活載作用下的最大變形出現(xiàn)在頂部裝飾結(jié)構(gòu)兩側(cè)，最大豎向變形Midas 計算為-58.93 mm，故撓度為1/594＜1/250，利用3D3S 軟件計算，豎向變形為-56.06mm，撓度為1/624＜1/250；徑向桁架最大變形出現(xiàn)在其懸挑端部位置，最大豎向變形Midas Gen 計算為-52.33 mm，撓度為1/357＜1/125；前拱桁架最大變形出現(xiàn)在跨中區(qū)域，最大豎向變形Midas Gen 計算為-52.33 mm，撓度為1/4170＜1/250，滿足規(guī)范要求。考慮結(jié)構(gòu)外觀及后期維護系統(tǒng)可靠性，體育場罩棚安裝施工時，懸挑桁架應(yīng)預(yù)起拱，桁架端部起拱量為L1/300（L1為桁架懸挑長度）。

桁架弦桿最大應(yīng)力比Midas Gen 為0.77≤0.80，桁架腹桿最大應(yīng)力比Midas Gen 為0.82≤0.85，尾部V 形構(gòu)件最大應(yīng)力比Midas Gen 為0.77≤0.80，均滿足應(yīng)力比控制要求。

鋼結(jié)構(gòu)罩棚在1.0 恒載+1.0 風(fēng)壓組合作用下最大變形出現(xiàn)在徑向懸挑桁架端部，最大豎向變形為-61.04 mm（撓度約為1/306＜1/250）；1.0 恒+1.0 風(fēng)吸組合作用下最大豎向負變形出現(xiàn)在頂部裝飾結(jié)構(gòu)兩側(cè)，變形量為-67.60 mm，最大豎向正變形出現(xiàn)在懸挑端部位置，變形量為+5.70 mm。考慮溫度作用，1.0 恒+1.0 升溫組合作用下最大豎向負變形出現(xiàn)在頂部裝飾結(jié)構(gòu)兩側(cè)，變形量為-32.41 mm，最大豎向正變形出現(xiàn)在前拱桁架柱腳區(qū)域，變形量為+34.74 mm；在1.0 恒+1.0 降溫組合作用下，最大變形出現(xiàn)在頂部裝飾結(jié)構(gòu)兩側(cè)，最大豎向變形為-89.19 mm，徑向桁架最大變形出現(xiàn)在其懸挑端部位置，最大豎向變形為-63.01 mm。豎向地震下，徑向桁架最大變形出現(xiàn)在其懸挑端部位置，最大豎向變形為-3.65 mm。均滿足變形控制要求。包絡(luò)工況下的最大位移和應(yīng)力比分別如圖3、圖4 所示。

圖3 包絡(luò)工況下最大位移

圖4 包絡(luò)工況下應(yīng)力比

5 動力特性

多遇地震下整體模型分析，第1～9 振型為頂部裝飾構(gòu)件的局部振動，剔除局部振動，鋼結(jié)構(gòu)的整振型、周期如表1 所示。低階陣型頂部裝飾構(gòu)件局部振動形態(tài)如圖5 所示，鋼罩棚整體振動形態(tài)如圖6 所示。

表1 鋼罩棚特征值分析

圖5 低階陣型頂部裝飾構(gòu)件局部震動。

圖6 鋼罩棚整體振動形態(tài)

6 性能化設(shè)計

采用等效彈性分析方法對結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的抗震性能進行了分析。驗算關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件及耗能構(gòu)件，在中、大震作用下，正截面和斜截面能否滿足性能目標要求。計算模型為結(jié)構(gòu)整體模型，包括主體結(jié)構(gòu)、鋼屋蓋。根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，確定體育場抗震性能目標C，構(gòu)件抗震性能水準如表2 所示。

表2 構(gòu)件抗震性能水準

定義徑向桁架弦桿、徑向桁架支座處腹桿（臨支座2 個區(qū)格）、前拱桁架弦桿、前拱桁架支座處腹桿（臨支座2 個區(qū)格）、尾部V 形構(gòu)件為關(guān)鍵構(gòu)件。徑向桁架非支座處腹桿、前拱桁架非支座處腹桿、環(huán)向桁架、頂部裝飾構(gòu)件、水平支撐為普通構(gòu)件。關(guān)鍵構(gòu)件大震應(yīng)力比如圖7 所示。

圖7 關(guān)鍵構(gòu)件大震應(yīng)力比

中震作用下，性能水準3 要求結(jié)構(gòu)為輕度破壞，結(jié)構(gòu)層間位移角不應(yīng)大于1.5～2.0 倍的彈性層間位移角限值。因此，中震作用下，混凝土框架的層間位移角限值取為1/250；大震作用下，性能水準4 要求結(jié)構(gòu)為中度破壞，結(jié)構(gòu)層間位移角不應(yīng)大于規(guī)范彈塑性層間位移角限值；大震作用下，混凝土框架的層間位移角限值取為1/100。鋼結(jié)構(gòu)罩棚整體滿足抗震性能目標。

7 抗連續(xù)倒塌與關(guān)鍵節(jié)點分析

安全等級為一級的高層結(jié)構(gòu)應(yīng)進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計[5]。本工程采用拆除構(gòu)件法進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計，逐個分別拆除結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件，剩余結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形采用彈性靜力分析方法，對直接與被拆除構(gòu)件相連的構(gòu)件豎向荷載動力放大系數(shù)取2.0，其余構(gòu)件取1.0；選取的失效部位為：前拱下弦桿（應(yīng)力最大處）失效、尾部V 形桿（應(yīng)力最大處）銷軸失效、后拱混凝土支座失效。

分析結(jié)果表明：（1）前拱桁架單根下弦失效、尾部V 形桿（應(yīng)力最大處）銷軸失效時結(jié)構(gòu)在1.0 恒+1.0 活作用下最大豎向變形未發(fā)生明顯增大，變化幅度小于5%，失效節(jié)點附近構(gòu)件應(yīng)力比未發(fā)生明顯變化。（2）支承混凝土柱失效后結(jié)構(gòu)在1.0 恒+1.0 活作用下最大豎向變形為-90.93 mm，相對設(shè)計狀態(tài)下未發(fā)生明顯增大（設(shè)計狀態(tài)下結(jié)構(gòu)在1.0 恒+1.0 活作用下最大豎向變形為-58.93 mm，增加32 mm），失效混凝土柱附近構(gòu)件應(yīng)力比略有增大，但未出現(xiàn)構(gòu)件應(yīng)力比超標，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生整體倒塌。

本工程部分節(jié)點受力情況復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)安全有重大影響。構(gòu)造復(fù)雜的重要節(jié)點應(yīng)通過有限元分析確定其承載力，并應(yīng)進行試驗驗證[6]。本工程對關(guān)鍵節(jié)點采用Abaqus 進行了有限元分析，并要求鑄鋼節(jié)點應(yīng)進行驗證性試驗。網(wǎng)格精度25mm，單元類型Tet（四面體）線次單元C3D4。鑄鋼節(jié)點材料力學(xué)性能如表3 所示。

表3 鑄鋼節(jié)點材料力學(xué)性能

鑄鋼節(jié)點桿件5 倍設(shè)計荷載下柱頂鑄鋼節(jié)點及支座節(jié)點應(yīng)力如圖8、圖9 所示，柱頂鑄鋼節(jié)點的最大位移0.76 mm，支座節(jié)點的最大位移3.1 mm。通過1～5 倍荷載下的荷載系數(shù)-位移曲線，得出極限承載力為設(shè)計荷載值的3.5 倍，其值大于3倍的設(shè)計承載力，鑄鋼節(jié)點承載力滿足規(guī)范要求。

4.5 促進城市生態(tài)動態(tài)與社會動態(tài)協(xié)同發(fā)展

彈性建設(shè)策略提倡整合城市社會和生態(tài)動態(tài)，關(guān)注城市社會生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展過程、動態(tài)和功能，應(yīng)對不可預(yù)測的變化和動蕩。為設(shè)計選擇一種更具適應(yīng)性和靈活性的方法。具體的設(shè)計策略包括通過增強樹池、池塘、庭院、沼澤等功能的設(shè)計來構(gòu)建基于生態(tài)系統(tǒng)的雨水滲透系統(tǒng)，這些微流域都可以方便就地存儲雨水。

5 結(jié)語

加快城市化和經(jīng)濟快速發(fā)展的重要部分是全面增強國力的有效途徑。盡管我國的整體生活水平有所提高，但面對全球變暖、生態(tài)失衡、能源消耗、環(huán)境污染和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)失衡這些不確定因素，都將影響城市的自然抵抗能力。與傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、空間規(guī)劃設(shè)計不同，彈性城市建設(shè)將成為當前發(fā)展中高層思維研究的新趨勢和焦點，并將成為城市發(fā)展的強大動力。