安慶市體育中心體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

安慶市體育中心體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)張鵬軍 【提要】安慶市體育中心體育館網(wǎng)殼是體型復(fù)雜的大跨度異型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，本文簡(jiǎn)要介紹該結(jié)構(gòu)的基本情況，及其幾何與力學(xué)模型的建立和設(shè)計(jì)過(guò)程。關(guān)鍵詞: 異型網(wǎng)殼 有限元模型 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、安慶體育館工程概述安慶市體育中心體育館位于安徽省安慶市，其主體結(jié)構(gòu)由中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。按照建筑師的構(gòu)想，該館主體結(jié)構(gòu)造型為一巨大的游魚，其中魚身和魚鰭用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，魚尾則由鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)來(lái)完成。圖1 安慶體育館網(wǎng)殼平立面圖安慶體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分為三部分：屋蓋網(wǎng)殼、斜墻殼和兩翼裝飾網(wǎng)殼。屋蓋網(wǎng)殼由大小兩個(gè)雙層橢球殼相貫而成，并使長(zhǎng)軸在空間傾斜成4度仰角，給人以“魚身”躍起的感覺(jué)，網(wǎng)殼屋面主要采用雙層復(fù)合鋼板，局部使用采光玻璃，并將按不同規(guī)律變化高度的支托分區(qū)布置，以進(jìn)一步構(gòu)筑錯(cuò)落的曲面，實(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)想，該部分網(wǎng)殼由下部結(jié)構(gòu)33根鋼筋混凝土柱支撐；斜墻殼部分則是與屋蓋網(wǎng)殼有相反曲率的橢球殼，做成局部雙層加肋的單層網(wǎng)殼，上邊緣與屋蓋網(wǎng)殼扣在一起，下邊緣支撐在環(huán)形混凝土梁上，該部分網(wǎng)殼作為平視視圖的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)建筑藝術(shù)效果提供空間；兩翼裝飾殼則是在筒形網(wǎng)殼基礎(chǔ)上變形后生成的不規(guī)則網(wǎng)殼，它的存在增加了建筑整體造型的動(dòng)感，帶來(lái)了活潑清新的氣息。安慶體育館屋蓋網(wǎng)殼長(zhǎng)軸支撐最大跨度83.5米，長(zhǎng)軸總尺寸97米；短軸支撐最大跨度66.1米，短軸總尺寸77.7米，加上側(cè)翼部分則可達(dá)到101米。安慶體育館的平立面圖參見(jiàn)圖1。該工程總投影面積為6300平方米，節(jié)點(diǎn)總數(shù)2689，桿件總量達(dá)10330根，總用鋼量約270噸。二。安慶體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)幾何及力學(xué)模型的建立針對(duì)安慶體育館網(wǎng)殼的具體情況，我們?cè)诮⒔Y(jié)構(gòu)的幾何模型過(guò)程中采取了先分離后綜合的做法，首先建立的是屋面網(wǎng)殼模型。我們先利用我院編寫的網(wǎng)架分析設(shè)計(jì)程序SFCAD，分別生成兩個(gè)半徑為R=40m和R=160m的標(biāo)準(zhǔn)雙層正放四角錐球面網(wǎng)殼，網(wǎng)殼厚度按甲方要求的結(jié)構(gòu)厚度值均取2.5米，然后由專用程序逐一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)殼進(jìn)行單向變比，實(shí)現(xiàn)要求尺寸的橢球面網(wǎng)殼；再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入前處理軟件，通過(guò)人工調(diào)整將以上兩殼按建筑專業(yè)提供的尺寸對(duì)接，最后將所得的異型橢球網(wǎng)殼仰起一定角度，完成屋面網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)造型。類似地我們生成了一個(gè)反向曲率的雙層殼，經(jīng)過(guò)同樣變比操作，并作局部抽空后拼接到屋面網(wǎng)殼上，形成斜墻殼。作為裝飾網(wǎng)殼的兩翼，則是由具有規(guī)定半徑的筒殼，在投影平面內(nèi)進(jìn)行切削、變形并整理而實(shí)現(xiàn)的。最后，我們將在前處理軟件中拼接而成的網(wǎng)殼整體模型，經(jīng)譯碼后傳遞回網(wǎng)架設(shè)計(jì)分析軟件SFCAD，完成安慶體育館網(wǎng)殼幾何模型的建立。安慶體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載情況如下：屋面網(wǎng)殼上弦靜荷載主要為屋面板(局部為采光玻璃)及檁條自重，考慮0.5KN/m2；上弦活荷載亦取0.5KN/m2；下弦靜荷載則主要由吸聲體、燈具、音箱、電纜等組成，平均約0.3 KN/m2，同時(shí)按1.5KN/m線荷載考慮馬道荷載、2.0KN/m線荷載考慮送風(fēng)和排風(fēng)管荷載；下弦活荷載取0.3KN/m2；斜墻殼面取靜荷載0.5KN/m2和活荷載0.3KN/m2；當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.35KN/m2；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)季節(jié)溫差(溫度荷載)取 20；地震設(shè)防烈度6度。安慶體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼，其屋面部分由33根鋼筋混凝土柱支承，我們按主體設(shè)計(jì)單位提供的柱剛度設(shè)置了豎向固定，水平方向具有一定剛度的彈性支座；對(duì)于支承在鋼筋混凝土環(huán)梁上的斜墻殼支座，由于其剛度較大，我們則將其假設(shè)為固定支座進(jìn)行計(jì)算。三。安慶體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果安慶體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型建立之后，我們用我院研制開發(fā)的空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序SFCAD，進(jìn)行了多種工況組合下的滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，以下是本設(shè)計(jì)的主要結(jié)果：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件用鋼量188噸，單位面積29.8Kg/m2，總用鋼量約270噸，單位面積為42.8Kg/m2；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件最大拉力設(shè)計(jì)值512KN，最大壓力設(shè)計(jì)值 -888KN，選用鋼管截面規(guī)格從 F483.5到 F15912，共計(jì)11種；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為 -378.4mm，水平位移最大值分別為X向79.0mm和Y向 -77.6mm。安慶地區(qū)地震設(shè)防烈度為6度，按規(guī)程規(guī)定可不考慮地震荷載影響，為安全起見(jiàn)，類似宜春體育館網(wǎng)殼設(shè)計(jì)中的作法3，我們也將地震烈度提升至7度，考慮地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算。對(duì)于該雙層橢球面網(wǎng)殼，依參考文獻(xiàn)2和參考文獻(xiàn)3分析，我們認(rèn)為整體穩(wěn)定問(wèn)題不需做特別考慮，本文僅使用殼體屈曲分析程序進(jìn)行了簡(jiǎn)單的整體屈曲分析，結(jié)果基本滿意。由于該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)僅有單軸對(duì)稱，體型極其復(fù)雜而給施工圖設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大麻煩。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)桿件種類共計(jì)2779種，螺栓球種類共計(jì)2689種(每種均只有一個(gè)球)，僅螺栓球加工圖即達(dá)到三十多張標(biāo)準(zhǔn)A1圖。該工程由北京市網(wǎng)架廠負(fù)責(zé)安裝施工，目前網(wǎng)架主體結(jié)構(gòu)已安裝完畢，即將交付使用。四。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)安慶體育館網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)工作，我們深刻體會(huì)到優(yōu)秀計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在復(fù)雜體型空間網(wǎng)架網(wǎng)殼設(shè)計(jì)所發(fā)揮的巨大作用。我們所使用的結(jié)構(gòu)通用前處理程序功能十分強(qiáng)大，幾乎可實(shí)現(xiàn)任意造型的網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型的生成。我院研制開發(fā)的SFCAD軟件作為空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)專用設(shè)計(jì)程序，施加和調(diào)整荷載及邊界條件的過(guò)程十分簡(jiǎn)便，可考慮百種以上工況，并能自動(dòng)生成全部施工圖紙，極大程度地減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，縮短了設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，安慶體育館屋面造型由空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)這一事實(shí)，也說(shuō)明了空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所具有的廣泛適應(yīng)性。毫無(wú)疑問(wèn)，在體型復(fù)雜的建筑中，這種結(jié)構(gòu)形式有著其它結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的優(yōu)越性，可以說(shuō)，網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)給建筑師們提供了施展他們的想象力和創(chuàng)造力的更為廣闊的天地。【參考文獻(xiàn)】1. 網(wǎng)架