刘 佳，何 挺，虞崇钢
（浙江东南网架股份有限公司，浙江杭州 311209）
[摘要]阿拉尔市体育中心体育馆主体结构为钢筋混凝土框架结构，屋面部分为落地空间管桁架结构。重点介绍了屋盖结构体系以及在分析和设计中涉及的关键问题。采用3d3sll.0和MIDAS/Cen 8.0两种软件进行整体计算并相互校核。进行了非线性整体稳定性分析，同时采用ANSYS软件对该结构的关键节点进行分析。计算分析表明，结构构件的应力比、变形及结构整体稳定性均满足设计要求。
[关键词]体育馆；空间管桁架；风洞试验；数值模拟；结构设计
[中图分类号]TU391[文章编号]1002-8498(2016)08-0055-05
1 工程概况
阿拉尔市体育中心体育馆占地面积11 970m2，总建筑面积17 480m2，总高度为35. 0m，南北方向长152. 6m，东西方向（中部）最宽109m，最窄处43. 95m，呈南北向“梭形”布局，主要由室内比赛篮球场和训练篮球场组成，可容纳最多观众人数2 956人。
体育馆从结构形式可分为两部分：主体结构为钢筋混凝土框架，屋面结构采用落地空间管桁架结构，2种结构相互独立。其中钢筋混凝土框架部分为地上1层，局部3层，空间管桁架结构最大跨度94. 73m，最小跨度为38. 29m。屋面均采用铝镁锰板直立锁边结构防水体系，屋面层含保温层，桁架梁及柱均外包铝板，外墙采用玻璃幕墙和屋顶连接（见图1）。
2屋盖结构体系
体育馆的钢结构屋盖平面呈梭形布置(见图2a)，顶面呈马鞍形，侧面轮廓也非直线（见图2b，2c)，结构找形和建模难度较大。
找形时要求结构杆件轴线为建筑外轮廓向内偏500mm，建模时又要使节点间距尽量规整，方便后期檩条的布置及安装，经过多次对比和调整，将屋面节点间距定为5m，墙面节点间距定为2.5m。在此基础上，通过结构优化分析调整其余节点位置，使杆件长度和结构内力分布尽量均匀，杆件夹角合理，提高了结构受力性能和经济性，实现了建筑与结构的统一。
12榀形状相似但大小不一的门式主桁架沿短轴方向布置，为主要结构受力单元，桁架截面为倒三角形，最大跨度的一榀管桁架跨中高度约5. 3m，上弦间距4m。为了加强主桁架平面外（长轴方向）的抗侧刚度，在主桁架间设置了通长的环形连系桁架，但建筑师为了保证建筑外观简洁轻盈，要求避免环桁架外露，从而只能将环桁架设置在主桁架角部向内15m左右的位置，沿屋面纵向设置一系列刚度较大的系杆、支撑，将12榀主桁架联系成整体，形成纵向抗侧力体系。
3计算分析
3.1原始设计条件
为保证分析结果的准确性，采用3d3s11.0和MIDAS/Gen 8.0两种软件进行整体计算并相互校核，整体计算模型如图3所示，桁架落地支座为成品铰支座。
3.1.1 荷载取值
1)恒荷载
金属屋面、檩条、保温层等取0. 5kN/m2；玻璃采光带取1. 0kN/m2；太阳能集热板、光伏板加龙骨等取1. 2kN/m2；结构构件自重由程序自动计算确定，考虑节点和外包板材质量乘以1. 05放大系数；设备荷载：马道恒荷载按1kN/m计算，活荷载按2.0kN/m考虑；罩棚端部灯具、设备等按实际质量施加节点荷载。
2)活荷载
活荷载取0.5 k N/m2；雪荷载：基本雪压0.1kN/m2（50年重现期）；风荷载：基本风压ω0=0.45 k N/m2（50年重现期），地面粗糙度为A类，风振系数为1.5，风荷载体型系数根据风洞试验报告提供的数据取值。
3)温度作用
阿拉尔市属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，极端最高气温35℃，极端最低气温- 28℃。由于不能准确确定施工日期，考虑结构合龙在大多数月份的可能性，施工合龙温度取为10~25℃。升温：35-10：25℃，降温：-28 - 25=- 53℃。
4)地震作用
抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0. 05g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0. 65s，体育馆屋盖结构阻尼比：f=0.02。乙类建筑，建筑物安全等级为二级；主结构使用年限为50年。
3.1.2 风荷载分析
阿拉尔市体育馆为复杂的三维空间结构，体育馆中心顶部、侧面、立柱以及横梁之间会产生强烈的气流干扰，而体育馆造型复杂，纵向刚度相对较低，对风荷载比较敏感，通过现有的荷载规范较难确定风荷载参数，因此准确确定该结构的风荷载体型系数是结构设计达到安全和经济两个目标的关键。
由于结构设计周期较紧，选用周期相对较短的数值风洞模拟方法进行不同风偏角下的结构流场分布及表面风荷载分析。由于结构的对称性，风偏角范围为0 N1800，风偏角间隔为150，共13个风偏角。
结构双轴对称，因此选择00，450和9003个风偏角作为3种风荷载工况加载，3个风偏角下的风荷载体型系数如图4所示。
3.2主要计算结果
3. 2.1 结构动力特性
表1给出了结构动力特性分析结果，MIDAS/Gen和3d3 s11.0两个软件前4阶的动力特性分析结果比较一致，屋盖的主要质量集中于顶部但没有加设柱间支撑的条件，决定了结构的主要自振模态，MIDAS/Gen分析得到的结构前4阶振型如图5所示。
3.2.2 结构位移验算
图6为MIDAS/Gen分析得出的标准荷载组合下的竖向变形，z向位移最大值为- 126mm，此处桁架跨度最大，为94. 73m，挠度为126/94 730 =1/752<1/400，满足规范要求，3d3 s11.0分析得出的变形与其较接近。
风荷载作用下钢屋盖顶面为负压，z向变形向上，3种风荷载工况中，900风偏角工况下的z向位移最大，达到27mm，与恒荷载叠加后最终变形为向下，风荷载对顶面结构起有利作用，但对立面结构不利，450风偏角工况下柱顶侧向位移最大值达到12mm，该处结构高度31. 5m，12/31 500=1/2 625，满足规范要求。00，450，900风偏角下结构位移云图如图7所示。
温度荷载作用下结构变形如图8所示，其中降温工况时柱顶侧向位移最大，达到37mm，也满足柱顶位移限值要求。
3.2.3 杆件应力比
图9为所有静力（及小震）组合工况作用下杆件应力比，其中弦杆的应力比基本控制在0.8以内，其他杆件最大应力比小于0.9，该结构杆件强度满足要求。
3.2.4整体稳定性分析
1)线性屈曲分析
在考虑标准荷载组合的前提下，利用MIDAS/Gen通用有限元分析软件对钢屋盖结构进行线性屈曲特征值分析，得到其第1阶整体屈曲特征值K =79，其第1阶屈曲模态如图10所示，未发生整体屈曲，屈曲模态为屋面钢桁架梁侧向失稳，证明钢屋盖具有良好的整体稳定性。
2)非线性屈曲分析
采用第1阶的线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷的分布模态，最大值按跨度的1/300取值。屋盖最大跨度94m，因此按比例调整后的几何缺陷的最大值取313 mm，在此基础上进行结构非线性计算。采用位移控制法计算得到的非线性屈曲荷载系数为11，满足规范限值要求。
体育馆立体空间管桁架内折角位置受力较大，且杆件交汇严重；环桁架外侧上弦与主桁架上弦交汇处，交汇杆件多达10根，因此在这3个部位采用铸钢节点（见图11），数量共68个。结构双轴对称，因此选取最大跨度位置的节点进行分析。采用通用有限元软件ANSYS11,0进行了设计荷载作用下节点的线弹性静力分析，选用的单元为三维实体单元SOLID45，弹性模量206GPa，泊松比为0.3。约束杆件截面较大的1根弦杆端部，在其余杆件上按同一组合下的内力情况进行加载。计算结果表明，应力最大值为167MPa，远未达到屈服应力，最大位移0.54mm，满足设计要求。
4结语
本文通过对阿拉尔市体育中心体育馆钢屋盖结构在地震、风、温度等荷载作用下的静力、动力反应以及稳定性能的系统分析研究，得到如下结论。
1)屋面体系以结构短轴方向的门式主桁架为主要承重结构，环形连系桁架、支撑、系杆共同形成纵向抗侧力体系。
2)结构应力比及变形均能满足设计要求，2个计算软件给出的不同模型计算结果较为接近，计算结果可靠。
3)对结构进行了线性屈曲分析，并在此基础上进行了考虑初始缺陷的几何非线性屈曲分析。分析结果表明，结构的失稳形态均呈现跨中屋面钢桁架梁侧向失稳，结构整体的稳定性可以得到保证。
4)部分构造复杂受力较大的节点采用铸钢节点，采用ANSYS软件进行了节点有限元分析，节点的应力及变形均能满足设计要求。
