某體育場看臺大懸挑屋蓋結構設計與分析

許 建 鑫

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510006)

1 工程概況

香港科技大學(廣州校區)位于廣州南沙新區，規劃建筑面積達63.4萬m2，包含了中央科研設施區、生活服務街區、運動村、能源中心、宿舍區、設備區等六大功能區，建成后可以容納4 000名學生。體育場為學校運動村中的一棟單體建筑，地上建筑面積1 610 m2，可容納800人同時進行體育活動，人們可以從體育場觀眾席上欣賞到外部的水景。體育場看臺為地上兩層鋼筋混凝土結構，上空設有弧形懸挑鋼結構屋蓋，屋蓋最大高度為10.90 m，采用梁系懸挑結構體系。

體育場建筑方案平面設計圖見圖1。

根據相關規范要求和地質勘察資料，體育場抗震設防烈度為7度(0.1g)，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類[1]；本地區50年一遇基本風壓取0.65 kN/m2，地面粗糙度為B類，鋼結構屋蓋部分體型系數按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范表8.3.1中第29項(a)取值[2]。由于看臺鋼結構屋蓋的平面尺寸很大，應考慮溫度變化在結構中引起的內力和變形，參考本地區歷年氣象資料，鋼結構安裝時的初始溫度取25 ℃，最大正溫差取30 ℃，最大負溫差取-25 ℃。

本文在對看臺結構整體建模分析設計的基礎上，采用3D3S結構分析設計軟件對看臺上空的弧形懸挑鋼結構屋蓋進行專項分析設計，計算得到鋼結構屋蓋的動力特性，驗算結構極限承載力、正常使用極限狀態及穩定性，并根據計算結果對鋼結構屋蓋進行優化設計，從而確保鋼結構屋蓋設計的安全性和合理性。

2 結構體系

2.1 看臺結構

主看臺結構大致呈矩形分布，長×寬=75.1 m×8.5 m，初始設計結構高度為3.15 m。隨著設計方案深化，看臺結構高度升高為6.15 m，看臺上空的大懸挑鋼結構屋蓋也由原來V形鋼管柱支撐改為由看臺上鋼筋混凝土柱支撐，有效提高屋蓋抗側剛度。綜合考慮建筑使用功能、結構荷載以及同類結構做法，看臺主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，并在承臺上設置厚度180 mm的底板平衡屋蓋傳給看臺的水平力。

體育場看臺結構整體模型圖見圖2。

2.2 大懸挑屋蓋結構

為了更加貼合屋蓋建筑造型特點以及保證混凝土看臺上觀眾的觀賞效果，鋼結構屋蓋確定采用弧形梁系懸挑結構體系。如圖3所示，弧形鋼箱梁沿看臺橫向對稱布置，梁的一端支撐在看臺后面兩排混凝土圓柱上，另一端向前最大懸挑14.0 m。同時在弧形鋼箱梁之間設置H型鋼梁將其連接成一個整體，加強大懸挑屋蓋結構整體性。

3 屋蓋結構動力特性

采用3D3S軟件對大懸挑鋼結構屋蓋進行單獨建模分析，結構模態阻尼取0.02，計算得到前6階振型周期如表1所示。從計算得到結果可知，屋蓋前6階振型均以扭轉為主，具體表現為屋蓋懸挑端上下振動，符合結構剛度特性。

表1 大懸挑屋蓋前6階周期結果

4 結構極限承載力及變形驗算

經過多次建模試算，并結合屋蓋結構受力特點，發現對結構影響較大的荷載為風荷載和溫度荷載，并且屋蓋懸挑部分構件應力明顯小于屋蓋與混凝土柱相連部分。因此，為了保證屋蓋邊緣建筑造型設計效果，節約鋼材，屋蓋懸挑部分主框架梁梁高由1.05 m向外逐漸遞減到0.35 m，最終鋼構件應力計算結果如圖4所示。從中可見，當鋼結構屋蓋在1.30恒載+1.50×0.70活載+1.50×0.60風載+1.50溫度荷載作用下，鋼構件應力最大，但依然控制在0.85f以下(f為鋼材設計強度，根據規范取315 N/mm2)。

根據GB 50017—2017鋼結構設計標準附錄B規定，懸挑屋蓋在恒載和活載標準組合作用下，位移不應超過(14/125) m，即是112 mm[3]。經計算，屋蓋在該荷載組合作用下最大負位移為-102.81 mm，符合正常使用要求，為了保證建筑觀賞效果，可在鋼結構深化設計階段對主框架梁作預起拱處理，起拱大小為恒載作用下Z向位移，具體計算結果見圖5。

5 結構整體穩定性驗算

為了保證鋼結構屋蓋整體穩定性，分析屈曲對結構尤其構件的影響，現對鋼結構屋蓋進行線性屈曲分析，考慮初始荷載組合為1.0恒載+1.0活載，計算得到鋼結構屋蓋的第一階屈曲因子為54.31，滿足規范要求[3,4]。鋼結構屋蓋第一階屈曲模態如圖6所示。

6 擬補充專項分析

結合本工程結構特點和實際條件，參考國內外同類型結構，后續設計階段擬補充如下專項分析驗算。

6.1 風洞試驗及風荷載補充驗算

該鋼結構屋蓋為大懸挑大跨結構，為風荷載敏感體系，并且該項目所在位置為臺風頻發地區，因此后續設計可以考慮補充風洞試驗，進一步確定該結構風致響應。在此基礎上，在鋼結構屋蓋模型上施加風洞試驗得到的等效靜力風荷載進行分析計算，對鋼構件設計作進一步校核，以保證結構設計安全性。

6.2 三向地震作用時程分析

該類大懸挑大跨結構除了要考慮雙向地震作用外，豎向地震作用同樣不可忽視，因此擬補充三向地震作用彈性時程分析。根據《抗規》要求，可選擇兩條天然波和一條人工波進行彈性時程分析，計算結果取包絡值。選擇地震波時，除了地震波頻譜特性、有效峰值以及持續時間要滿足規范要求外，時程分析得到的底部剪力與振型分解反應譜法結果相比，單條地震波底部剪力相差不大于35%，多條波平均值相差不大于20%。進行地震時程分析工況輸入時，每條地震波分三個方向進行輸入，輸入的加速度峰值比例根據規范取1∶0.85∶0.65。

7 結語

1)采用3D3S結構分析軟件對鋼結構屋蓋進行建模計算，驗證了屋蓋結構動力特性。分析結果顯示，屋蓋前6階振型均表現為屋蓋懸挑端的上下振動，符合結構剛度特性。

2)分析大懸挑鋼結構屋蓋承載力極限狀態和正常使用極限狀態，計算得到的構件應力和結構變形均滿足相關規范要求。

3)對鋼結構屋蓋進行了線性屈曲分析，驗證了結構整體穩定性，結果表明屋蓋結構體系整體穩定性良好。

4)結合結構特性和工程實際條件，提出后續設計階段擬補充風荷載作用專項分析和三向地震作用時程分析，進一步保證結構設計安全性和合理性。