學(xué)校體育館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

石百良

（甘肅泓文建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730000）

0 前言

在我國(guó)快速發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，服務(wù)大廳、體育館等建筑也需要具備越來(lái)越復(fù)雜的功能，在建筑建造過(guò)程中需要同時(shí)滿(mǎn)足高效能利用、建筑功能布置以及大空間的要求。在傳統(tǒng)的大跨度樓蓋設(shè)計(jì)中經(jīng)常以井字梁、平面鋼結(jié)構(gòu)桁架為主要結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)形式擁有混凝土與鋼節(jié)點(diǎn)連接難度大、結(jié)構(gòu)高度大、造價(jià)高等缺點(diǎn)，所以相關(guān)人員應(yīng)該著重從加強(qiáng)造型美觀性、節(jié)約成本和降低結(jié)構(gòu)高度等方面進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

某學(xué)校體育館主要用于學(xué)生體育活動(dòng)，擁有19186m2的總建筑面積。存在一層地下結(jié)構(gòu)，擁有6641m2的建筑面積；存在2 層地上結(jié)構(gòu)，擁有12545m2的建筑面積。該體育館擁有88.8m×79.1m的外輪廓尺寸和22.4m 的結(jié)構(gòu)高度，其中2 層為籃球館和綜合訓(xùn)練館，也是進(jìn)行大跨度樓蓋設(shè)計(jì)的主要對(duì)象。

2 綜合訓(xùn)練館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)方案比選最終決定使用鋼-混凝土組合梁作為綜合訓(xùn)練館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)。鋼-混凝土組合梁能夠使鋼和混凝土的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，使兩者之間產(chǎn)生協(xié)同作用，能夠使材料擁有更高的利用效率。綜合訓(xùn)練館擁有52.2m 的縱向長(zhǎng)度和34.2m 的橫向長(zhǎng)度，樓面標(biāo)高與泳池水面之間存在8.9m 的距離。為了使結(jié)構(gòu)高度得到最大程度的降低，需要提升水面與鋼梁底的距離，最終選擇了單向固接組合樓蓋并且采取梁柱剛接的方式。橫向布置主梁，包括12榀，將縱向鋼次梁布置在主梁間。采用現(xiàn)澆混凝土樓板，設(shè)置150mm厚度。在采用鋼-混凝土組合梁固接樓蓋的過(guò)程中主要需要注意兩個(gè)方面的問(wèn)題，分別為混凝土柱與鋼梁的連接和負(fù)彎矩區(qū)混凝土樓板抗裂。為了解決組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土樓板開(kāi)裂問(wèn)題，在本次工程中使用新型抗拔不抗剪栓釘作為混凝土樓板與鋼梁的連接件，在梁固接端的15%梁跨范圍內(nèi)進(jìn)行布置。通過(guò)這種方式只要沒(méi)有分離的現(xiàn)象在鋼-混凝土界面發(fā)生，就可以實(shí)現(xiàn)自由滑動(dòng)，能夠使混凝土樓板拉應(yīng)力得到有效釋放，從而使混凝土樓板開(kāi)裂的幾率降低[1]。同時(shí)，因?yàn)橹c鋼梁剛接，所以此區(qū)域只具有較小的鋼梁變形，所以組合梁的撓度只會(huì)在較小程度上受到鋼梁與混凝土樓板的滑動(dòng)連接的影響。

傳統(tǒng)的鋼梁-混凝土柱擁有非常復(fù)雜的連接方式，需要將鋼骨設(shè)置在混凝土柱內(nèi)，并且混凝土柱箍筋想要將鋼梁腹板貫穿擁有較大的施工難度。在本次工程中使用鋼套筒節(jié)點(diǎn)開(kāi)展鋼-混凝土組合梁設(shè)計(jì)，能夠使以上問(wèn)題得到有效解決。混凝土柱節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋使用鋼套筒替代，可以使用牛腿連接鋼套筒和鋼梁，能夠使施工變得更加方便，施工人員可以在工廠(chǎng)加工鋼結(jié)構(gòu)件，使用高強(qiáng)螺栓完成現(xiàn)場(chǎng)連接，能夠保證施工達(dá)到較高的質(zhì)量[2]。

2.1 鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)分析

在設(shè)計(jì)本工程橫向主梁的過(guò)程中主要分為兩個(gè)階段，分別為撓度計(jì)算和承載力計(jì)算，并且兩者所使用的計(jì)算模型也存在差異。以MIDAS Gen 作為計(jì)算軟件。

在計(jì)算承載力的過(guò)程中，只完成梁柱單元梁格模型的建立，根據(jù)剛度放大系數(shù)確定樓板的貢獻(xiàn)，同時(shí)對(duì)剛性樓蓋假定進(jìn)行合理利用，完成組合梁各梁段控制內(nèi)力的計(jì)算，進(jìn)而驗(yàn)算各梁段的承載力。

針對(duì)彎矩區(qū)兩端，將剔除板內(nèi)鋼筋和混凝土板的作用，僅將鋼梁承擔(dān)的剪力和彎矩作為考慮因素。對(duì)于正彎矩區(qū)梁段，組合梁承載力應(yīng)該通過(guò)鋼-混凝土組合截面驗(yàn)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，梁擁有4328kN·m的最大正彎矩，擁有-8688kN·m最大負(fù)彎矩，1496kN的最大剪力。

在計(jì)算撓度的過(guò)程中，為了充分考慮剛度受組合樓蓋空間作用的影響，需要與工程實(shí)際情況相結(jié)合建立樓板和梁板的混合模型。然后從模型中完成各組合梁變形的提取，最大撓度計(jì)算結(jié)果如表1 所示。利用各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組合的包絡(luò)值完成變形驗(yàn)算。

表1 最大撓度計(jì)算結(jié)果

2.2 設(shè)計(jì)鋼梁-混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)

針對(duì)這部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，將矩形鋼管外套在柱節(jié)點(diǎn)處，鋼管外伸牛腿，使用高強(qiáng)螺栓連接梁端腹板和牛腿腹板，最后焊接鋼梁與牛腿翼緣。為了更加可靠的完成連接，應(yīng)該將內(nèi)隔板設(shè)置在鋼梁翼緣位置處的鋼管內(nèi)，鋼管壁使用牛腿腹板貫通[3]。將栓釘設(shè)置在鋼套筒內(nèi)部，利用鋼套筒將梁端剪力和彎矩傳遞到混凝土柱。在這個(gè)過(guò)程中混凝土柱箍筋被16mm 厚度的鋼套筒替代，所以在驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)抗剪時(shí)應(yīng)該考慮鋼套筒。

3 籃球館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)方案比選最終決定使用鋼桁架+現(xiàn)澆混凝土板作為籃球館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)。籃球館鋼桁架擁有3m 的高度，39.9m 的跨度，4.35m 的間距，包括13榀，采用剛性連接的方式連接混凝土柱內(nèi)鋼骨和桁架。在分析整體建模的過(guò)程中使用PMSAP空間結(jié)構(gòu)分析軟件，在計(jì)算單榀桁架承載力時(shí)以MIDAS Gen作為計(jì)算軟件。將螺栓設(shè)置在桁架上翼緣并連接鋼筋混凝土樓板。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)鋼-混凝土組合作用不做考慮[4]。

使用H 型鋼焊接桁架腹桿和上、下弦，腹桿和上、下弦截面主要為兩種類(lèi)型，分別為跨中正彎矩區(qū)截面和支座負(fù)彎矩區(qū)截面。跨中區(qū)和支座區(qū)上、下弦截面分別為H600×250×14×20 和H600×400×22×30。跨中區(qū)和支座區(qū)腹桿截面分別為H300×200×14×18 和H300×300×16×25。在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)桁架單元完成腹桿計(jì)算，根據(jù)梁?jiǎn)卧瓿缮稀⑾孪覘U計(jì)算。在活荷載+恒荷載的條件下桁架擁有40mm 的最大撓度，與傳統(tǒng)的兩端鉸接桁架相比明顯擁有更小的撓度，但是由于其擁有較大的負(fù)彎矩，并且需要?jiǎng)偨又c桁架的上、下弦，在桁架上、下弦桿均有受壓區(qū)存在，桁架端部桿件存在較大的截面。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雖然很多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式都能夠使體育館的結(jié)構(gòu)受力要求得到滿(mǎn)足，但是與本次工程的實(shí)際情況相結(jié)合，在本次設(shè)計(jì)中決定使用鋼-混凝土組合梁作為綜合訓(xùn)練館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)，使用鋼桁架+現(xiàn)澆混凝土板作為籃球館大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)。同時(shí)深入地分析設(shè)計(jì)過(guò)程中的各項(xiàng)要點(diǎn)，不但能夠滿(mǎn)足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，還能夠使體育館的樓蓋舒適度得到有效提升。