揚(yáng)中市文體中心體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、揚(yáng)中市文體中心體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：揚(yáng)中市文體中心的體育場是圍繞比賽場地的一個環(huán)形建筑物，南北向布置，南北長197m，東西寬112.8m。因結(jié)構(gòu)超長，將體育場的地面以上結(jié)構(gòu)合理地分為若干個獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，屋頂雨棚為鋼桁架屋蓋，二者為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)屋蓋形成一個結(jié)構(gòu)體系，采用多種計(jì)算模型和計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，可做類似工程參考。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；超長結(jié)構(gòu)；鋼桁架屋蓋；斜框架；圓管相貫節(jié)點(diǎn)；鉸接節(jié)點(diǎn)1.工程概況 揚(yáng)中市文體中心位于江蘇省揚(yáng)中市，整個用地東西長約500米，南北長約320米，呈L形，場地內(nèi)地勢平坦。揚(yáng)中市文體中心由五部分組成，分為體育場、體育館、游泳館、綜合健身館和觀光塔。其中體育場面積

2、為30457.5平方米該體育場南北向布置，南北長197m，東西寬112.8m?？偨ㄖ娣e30457.5m2，屋面最高處33m，其中混凝土樓蓋最高處四層共計(jì)22.5m，鋼桁架屋蓋最高點(diǎn)33m，為多層公共建。 2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 自然條件 本工程的抗震設(shè)防烈度：7度；設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期值0.45s，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，建筑場地類別：III類?；撅L(fēng)壓：W0=0.45KN/m2(重現(xiàn)期100年)，地面粗糙類別：B類，風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.3?；狙海?.40 kN/m2。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，江蘇揚(yáng)中年平均氣溫15.1， 最高年達(dá)16，最低年14.3?？拐鹪O(shè)防類別屬于重點(diǎn)設(shè)防類

3、，設(shè)計(jì)使用年限為50年。 2.2 結(jié)構(gòu)選型 本工程根據(jù)使用功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方便等因素綜合考慮，體育場柱網(wǎng)大部分為7.599m，局部為918m，為便于設(shè)備管線的穿行，為建筑提供更大的有效空間，采用鋼筋混凝土單向梁、板結(jié)構(gòu)。建筑整體是回形建筑，結(jié)構(gòu)上屬于超長結(jié)構(gòu)。本體育場南北長就達(dá)到197m，已超出規(guī)范要求。通過設(shè)置合理的結(jié)構(gòu)縫，并考慮建筑功能及使用上的要求，本工程在0.000以上設(shè)伸縮縫脫開，將體育場分成AH個結(jié)構(gòu)單元（圖1），分別對各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。 圖1.分區(qū)示意圖 體育場屋面最高處33m（混凝土樓蓋最高處四層共計(jì)22.5m，鋼桁架屋蓋最高點(diǎn)33m），看臺采用鋼筋混凝土斜框架結(jié)構(gòu)，以

4、滿足看臺座位的設(shè)置要求。部分鋼筋混凝土柱伸至鋼屋面下，看臺處柱間距為18m，作為上部弧形懸挑屋蓋的抗側(cè)力體系，承受地震、風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力以及風(fēng)荷載下桁架傳來的上拔力?；⌒螒姨粑萆w采用管桁架鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時的模型如圖2。 支撐體育場屋蓋的框架柱受力較為復(fù)雜，對強(qiáng)度及抗震延性要求較高，考慮本工程的重要性，支撐柱采用型鋼混凝土柱并按中震彈性進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。 體育場屋面采用鋼桁架懸挑屋蓋，最大懸挑長度約25m，為空間大跨度倒三角形和平面管桁架懸挑結(jié)構(gòu)，和下部混凝土結(jié)構(gòu)對應(yīng)，分AH共8個溫度區(qū)（圖1），懸挑屋蓋部分共有21榀空間桁架及之間次桁架構(gòu)成, 其余位置采用平面桁架。 圖2.F區(qū)結(jié)構(gòu)模型 2

5、.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)與計(jì)算 本工程中，體育場屬重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）建筑。體育場抗震措施均按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求。即按7度計(jì)算地震作用，8度確定抗震等級。 為反應(yīng)下部結(jié)構(gòu)、連接支座對懸挑鋼桁架的受力影響和鋼桁架屋面自身剛度對下部結(jié)構(gòu)的受力影響。本工程除采用分離模型進(jìn)行計(jì)算分析外，還對體育場懸挑長度大，對下部結(jié)構(gòu)影響大的主看臺整體模型進(jìn)行了計(jì)算分析，屋架鋼桁架結(jié)構(gòu)和下部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體計(jì)算復(fù)核分析，考慮了兩者在各種荷載作用下的共同工作。 經(jīng)過計(jì)算分析、對比，根據(jù)各種軟件的功能特點(diǎn)，本工程采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM系列軟件SATWE進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，對部分代表性的結(jié)

6、構(gòu)單元如體育場F區(qū)、同時采用通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS進(jìn)行整體分析及屋面桁架、網(wǎng)架的設(shè)計(jì)。 SATWE軟件是國內(nèi)常用空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，但受目前版本功能的限制，暫不能準(zhǔn)確模擬如拉壓桿等的受力狀態(tài)等。所以我們僅采用SATWE進(jìn)行本工程鋼筋混凝土部分的設(shè)計(jì)計(jì)算，并考慮上部鋼結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)來的荷載。體育場F區(qū)結(jié)構(gòu)單元鋼筋混凝土主體的計(jì)算結(jié)果見表一。 MIDAS軟件是通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，并已嵌入中國規(guī)范，適用于建筑結(jié)構(gòu)、體育場館及組合結(jié)構(gòu)等的分析與設(shè)計(jì)，可以較真實(shí)地反映本工程的實(shí)際受力狀態(tài)。F區(qū)結(jié)構(gòu)單元整體組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果見表二。 表一 SATWE電算結(jié)果：F區(qū) 周期 周期比Tt/T1 扭

7、轉(zhuǎn)系數(shù) T1 0.7837 0.544 0.1 Tt 0.4264 0.9 T3 0.4167 0.2 作用方向 X向地震 Y向地震 最大層間位移角 1/764 1/633 最大層間位移與平均層間位移的比值 1.19 1.36 有效質(zhì)量系數(shù) 90.11% 92.96% 表二 MIDAS電算結(jié)果：(F區(qū)) 周期 周期比Tt/T1 扭轉(zhuǎn)系數(shù) T1 0.9517 0.5284 0.00 T2 0.5207 0.00 Tt 0.5029 0.72 作用方向 X向地震 Y向地震 最大層間位移角 1/1275 1/747 最大層間位移與平均層間位移的比值 1.09 1.13 有效質(zhì)量系數(shù) 99.28% 9

8、9.93% 經(jīng)過兩種軟件對比分析知，各軟件結(jié)果均符合規(guī)范要求。 2.4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 屋蓋平面如下圖3所示，縱向全長約288m，橫向?qū)挾燃s114m，屋面最低點(diǎn)自地面起，最高點(diǎn)結(jié)構(gòu)標(biāo)高約33m。 屋蓋荷載計(jì)算：活荷載取0.50kN/m2。屋蓋自重由程序計(jì)算，屋面板及檁條自重取0.40kN/m2，下弦吊掛荷載根據(jù)建筑做法及設(shè)備實(shí)際自重取值0.30kN/m2。 溫度作用計(jì)算時，考慮正負(fù)25溫差。合攏溫度153。 圖3.F區(qū)屋面模型 體育場屋面采用鋼桁架懸挑屋蓋，為空間大跨度管桁架懸挑結(jié)構(gòu)，和下部混凝土結(jié)構(gòu)對應(yīng)，分8個溫度區(qū)，共有21榀主桁架及之間次桁架構(gòu)成。主桁架為倒三角形，最大懸挑跨度為25m，

9、最小懸挑跨度為9m，桁架間距約為18m。防震縫處利用次桁架懸挑9m設(shè)縫，以確保相互之間的自由伸縮。主次桁架采用圓鋼管，節(jié)點(diǎn)類型為圓管相貫節(jié)點(diǎn)和焊接球節(jié)點(diǎn)。 桁架結(jié)構(gòu)的外荷載按靜力等效的原則，將節(jié)點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在節(jié)點(diǎn)上。結(jié)構(gòu)分析時忽略腹桿節(jié)點(diǎn)剛度的影響，假定節(jié)點(diǎn)為鉸接，腹桿桿件只承受軸向力。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時腹桿采用桁架單元，即腹桿只承受軸力。上下弦為一般梁單元，承受彎、剪、扭及軸向力。所有桿件采用空間模型進(jìn)行有限元分析，各桿件內(nèi)力和位移均按規(guī)范要求進(jìn)行控制。下弦采用變截面圓管，最大直徑處500x25,上弦最大直徑處300x25，腹桿根據(jù)應(yīng)力大小采用不同管徑的圓管，主桁架軸側(cè)圖如下圖4：

10、 圖4.屋面三維模型 2.5 與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式 體育場懸挑屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)為鉸支座，主要承受水平力及風(fēng)荷載下產(chǎn)生的上拔力，支座示意圖如下： 圖5.鉸接節(jié)點(diǎn)圖6.鉸接節(jié)點(diǎn) 2.6 計(jì)算結(jié)果 體育場懸挑屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)采用MIDAS進(jìn)行有限元分析及設(shè)計(jì)。主要計(jì)算結(jié)果如下： 圖7.撓度圖 圖8.彎矩圖 體育場屋面桁架最大彎矩約414KNm(桁架下弦桿)，桿件最大應(yīng)力比0.95。滿足規(guī)范要求，屋面網(wǎng)架桿件最大軸力約1121KN(中部上弦桿，壓力)，絕大部分桿件最大應(yīng)力比均小于0.90，滿足規(guī)范要求。個別桿件應(yīng)力比0.95。標(biāo)準(zhǔn)組合下最大撓度136mm,滿足規(guī)范要求。 3.結(jié)論 主體結(jié)構(gòu)采用合適結(jié)構(gòu)縫使結(jié)構(gòu)分成若干個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，使其受力合理。運(yùn)用有限元程序Midas對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力線性分析、反應(yīng)譜分析，得出了在各種荷載組合情況下的變形、桿件內(nèi)力、應(yīng)力比，并對相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析以及與相關(guān)規(guī)范要求的對比，表明鋼結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)形式以及相關(guān)構(gòu)件規(guī)格滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)受力性能良好，很好地解決了結(jié)構(gòu)