浅析长葛体育馆结构设计

作者；张毅

1  工程概况

  长葛市体育馆工程位于长葛市新城区魏武大道西侧，规划总用地面积53 133m2，总建筑面积为1.6万m2，观众席共6 000座，为乙类体育馆。体育馆鸟瞰见图1。体育馆平面呈长方形，南北长127. 8m，东西长82. 8m，四个角做倒角处理，体育馆二层结构平面见图2。看台最高点10. 2m，屋面最高点25. 773m，建筑长向剖面见图3。体育馆室内为三层，一~三层高度分别为4.5，5.7，10. 8m。主体结构采用框架一剪力墙，支撑体系，屋盖为空间正交平面桁架体系。

  本工程为重点设防类，设计使用年限为50年。抗震设防烈度为7度，设计分组为一组，Ⅱ类场地类别。设计基本地震加速度为0. lOg，抗震等级为二级；基本风压0. 40kN/m2，地面粗糙程度类别B类。

2  设计难点及结构措施

2.1设计难点

  由于体育馆的功能要求，本工程结构设计存在以下几个难点：1）中部开洞且左右不对称形成平面不规则；2）结构超长，本工程长、宽尺寸均超出《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)表8.1.1中伸缩缝最大间距的限值；3）看台为阶梯型，没有明显的结构层，竖向刚度不均匀；4）上部空间结构跨度大、高度大，结构主要材料为圆钢管。由此带来的结构问题有：在水平力作用下的扭转作用明显；超长结构温度应力对结构计算影响较大；屋面和下部主体结构如何协同工作，如何分析才能保障结构的安全可靠。

2.2结构措施

  为了在满足建筑功能的前提下保证结构的安全可靠，同时达到既定的抗震设防目标，本工程在结构设计中采取了以下措施：1）采用框架-剪力墙-支撑体系。沿看台四周和楼梯间等部位均匀布置剪力墙，同时在建筑物四角和中部设置32根BRB（屈曲约束支撑），增强下部结构的抗侧、抗扭刚度。BRB平面布置及立面示意见图4，5。2）考虑使用期间温差和混凝土收缩的影响，采用等效温差进行设计分析。构件的温度变化对结构的变形、内力的影响转化为等效荷载，参与主体结构的内力和变形计算。3)计算分析方法。针对看台板错层以及内部大空间、楼板不连续的特点，整体结构的弹性计算采用PMSAP，考虑到体育馆主体结构和屋盖之间的相互作用，采用整体结构分析比对下部结构和屋盖分别进行分析的结果更可靠。同时主体结构和屋盖分别采用SATWE和3D3S进行单独分析，对整体分析与下部结构和屋盖的单独分析结果进行包络设计。

3  结构设计及内力分析

  本工程的下部结构主要为看台及配套附属用房，采用钢筋混凝土框架-剪力墙-支撑体系，主要柱网尺寸为9m×9m。主要截面尺寸：柱700mm×700mm，梁350mm×800mm，剪力墙厚300mm，主要楼板厚度120～150mm。混凝土强度等级C30。本工程BRB为耗能型屈曲约束支撑，外观最大尺寸为400mm×500mm，芯板厚度为40mm，最大屈服承载力为12 000kN。芯材的屈强比不应大于0.8，伸长率应大于30%并有明显的屈服台阶，应具有常温下27J冲击韧性功。

  屋盖采用空间正交平面桁架体系。双向均为弧形平面钢桁架，桁架最大高度为3m，桁架轴线间距为9．Om×9.Om,局部间距为8.4m×8.4m。桁架高度约20. Sm，生根于标高为4.5m的平台。大多数体育馆屋盖与主体结构连接采用铰接形式，受力简单，连接部位可采用成品支座，安全有保障。本工程经过充分论证分析，采用了刚接的方法，将钢管桁架柱脚插入混凝土框架柱中（图6），采取一定措施有效约束桁架构件，支座在竖直、水平方向的平动和扭转都被约束。

3.1钢结构屋面设计及分析

  钢结构屋面对风荷载较为敏感，本工程设计基本风压按100年重现期风压取值。体型系数根据《建筑结构荷载规范》( GB  50009-2012)表8.3.1第4项按封闭拱形屋面要求选取。屋面恒荷载主要为桁架体系、屋面板、马道、电缆灯具等构件的自重。活荷载取0. SkN/m2（不上人屋面），屋面雪荷载取0. 45kN/m2，屋面活荷载大于雪荷载，故设计时按活荷载参与组合。活荷载工况分为满布、沿长向对称轴线上、下分别满布、沿短向对称轴线左、右分别满布共5种情况。本工程屋面设计考虑温差为30，-25℃。

  屋盖钢结构包括：主桁架、次桁架、环向桁架、拉索支撑，见图7。双向均为弧形平面桁架，上下弦杆由弧形、椭圆形及平直段组成。主桁架（横向）跨度72. 9m，共11道；次桁架（纵向）跨度117. 9m，共6道；环向桁架沿竖向在标高9.3，15.0，21. 5m设置3道；拉索支撑构件采用钢绞线，截面为5φ21. 6mm，抗拉强度设计值为1320N/mm2。支撑设置部位如下：短向沿端跨和中跨通长设置，长向沿端跨通长设置，4个角部沿竖向布置。

  本工程屋盖用3D3S和MIDAS软件进行计算分析，两种软件计算的主要构件的承载力基本一致，对分析结果采用包络设计。节点采用相贯线焊接，根据《钢管结构技术规程》( CECS 280：2010)5.1.4条规定，上下弦杆连接部位按刚接节点设计，腹杆与弦杆相交处按铰接节点设计。节点交汇处钢管的根数、角度、尺寸的不同使得相贯线形态各异，在空间结构中坡口处理困难，难度较大。本工程为了施工方便，工厂加工时先将大套管相贯连接于主桁架上，现场吊装时定位后再将次桁架与套管焊接，见图8。桁架在4. Sm标高平台处无铰拱推力设计值为550kN，支座下部设置剪力墙承受水平力，见图9。

  经对比分析，图7所示在角部三道环向桁架间设置的拉索支撑可以有效抵抗环桁架的水平力，增强环桁架的扭转刚度。

  经计算分析，杆件主要截面：主桁架上下弦为φ351x12，腹杆为咖168×6；次桁架上下弦为咖299 x12，腹杆为φ121×6。在竖向荷载标准值作用下，结构的竖向最大挠度值为136mm<//400= 182mm（跨度L=72. 8m），满足《空间网格结构技术规程》( JGJ 7-2010)对变形的相关要求。在风荷载作用下，结构最大水平位移为26mm；在水平地震作用下，结构最大水平位移为18mm，均满足《钢管结构技术规程》( CECS 280: 2010)对层间变形的相关要求。

3.2下部结构设计与分析

  由于本工程上部为大空间结构，通过38个柱脚节点与下部连接。在结构分析时可将上部荷载工况组合以节点荷载和特殊风荷载的形式输入模型，参与计算。本工程下部结构采用SATWE软件进行弹性分析，位移比及层间位移角计算结果见表1，结构前3阶周期分别为0. 708，0.609，0.659s。由于结构布置的特殊性，结构扭转位移比大于1.2，但水平地震作用下相对水平位移很小(最大层间位移均小于Imm)，扭转对结构的影响在可控范围。

  为了有效控制结构的扭转效应，本工程通过合理布置剪力墙和设置屈曲约束支撑( BRB)来增强结构水平及抗扭刚度，使结构变形能够得到很好地控制。从表1可以看出：由于4. 5m标高平台（1层顶）变形远小于《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定限值，可以作为钢结构屋面的嵌固部位。

3.3整体结构弹性分析

  针对看台板错层以及内部大空间、楼板不连续的特点，整体结构的弹性计算采用了PMSAP( SPASCAD)软件，分析时楼板采用弹性楼板参与计算，在进行地震效应组合时使用CQC组合，混合结构的阻尼比取0. 035。位移比及层间位移角计算结果见表1，结构前3阶周期分别为0. 759，0.728，0. 727s，整体计算模型见图10。

  从表1的对比结果可以看出，无论是上下部结构分开单独计算还是采用整体模型进行计算，结果都是相近的。这表明由于上部钢结构柱脚嵌固端选择的合理性，上下部结构可以分别进行计算分析，但是结构在进行承载能力和变形设计时要进行包络设计，以确保构件的安全性。

3.4温度应力分析

  由于本工程长、宽方向尺寸均超出规范限值，所以在结构设计中应考虑温度作用对结构和构件的影响。温度作用要考虑温度变化及混凝土收缩的影响，所以设计等效温差应取均匀温度作用和收缩当量温差之和。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)相关规定得出均匀温度作用ATkl=26℃，ATk2=- 23℃。根据《大体积混凝土施工规范》( GB 50496-2009)附录B.2公式计算得收缩当量温差ΔTs=-11℃。设计负温差取温度变化和收缩当量温度之和；设计正温差按结构最大升温温差采用。得出ΔT1=ΔTkl=26℃；ΔT2=ΔTk2 +ΔTs=- 23℃- 11℃=- 34℃。本工程在PMSAP分析中设计计算温差取值为±35℃。

  结构2层（4. Sm标高）在升温和降温作用下的变形云图如图11所示。可以看出：1）升温工况作用下，结构整体向外围变形；2）降温工况作用下，结构整体向内侧变形；3）约束强的部位变形小，主要体现在剪力墙刚度较大部位；4）约束弱的部位变形大，主要体现在内外框架柱刚度较小部位。

  从以上在温度变化和混凝土收缩作用下的分析结果可以得出以下结论：1）竖向构件在约束相对较强的部位（剪力墙和支撑处）变形小、内力大；在约束相对较弱的部位（外围框架柱处）变形大、内力小；2）环向梁受力较大，需要考虑温度效应影响；3）楼板受温度应力影响较大，需考虑温度效应影响。

  为了有效消除温度效应带来的不利影响，本工程采取“抗”与“放”的裂缝控制原则进行设计：一方面，设置三条伸缩后浇带（在长向三等分处设二道通长，短向中部设一道通长），对约束引起的变形或内力用“放”的方法解决；另外提高混凝土构件的抗拉能力，根据温度参与的组合工况合理提高楼板和梁的配筋率，用“抗”的方法来解决。

4  结论

  (1)体育馆结构可以通过合理布置剪力墙和设置屈曲约束支撑，加强结构的抗扭刚度和抗侧刚度，有效提高结构的抗震性能。

  (2)体育馆超长结构可以通过计算温度作用效应进行合理设计，并通过设置伸缩后浇带和提高构件配筋来解决温度变化和混凝土收缩对结构的影响。

(3)体育馆屋盖和下部主体结构的相对变形在满足一定的条件后，可以分开进行计算。但应采取整体结构计算进行内力校核，并采用包络设计。

5[摘要]  长葛体育馆主体结构为平面不规则的超长结构，看台为阶梯形布置，没有明显的结构层，屋面为空间正交平面桁架体系。不规则结构一般会产生较大的扭转效应，超长结构内力和变形受温度作用效应的影响不能忽视。综合考虑了各种复杂因素，对结构设计提出了具体的分析方法。对结构体系进行了整体和局部分析，提出了温度作用的计算方法和构造措施。