平體育場(chǎng)體育場(chǎng)大跨度弦支屋頂疊合拱結(jié)構(gòu)體系研究

平體育場(chǎng)體育場(chǎng)大跨度弦支屋頂疊合拱結(jié)構(gòu)體系研究

1間曲線拱組成元平體育館位于山東省元平縣體育文化中心西北部，占地面積15622公頃，總面積約25575公頃。如圖1所示，該建筑的形狀由傾斜的海面和兩個(gè)向上傾斜的空間曲線組成。體育館平面投影的圓形直徑約132.5m,屋面頂部標(biāo)高40.85m。主體單層,地上局部分為三層,層高分別約為6.2,7.8,3.3m,總座席約6700個(gè)。體育館屋頂部分為球面外形,屋蓋底部直徑約為110m,底部標(biāo)高約14.0m,屋蓋頂部結(jié)構(gòu)中心線標(biāo)高約40.0m,空間曲線拱最高點(diǎn)中心線標(biāo)高45.5m,最高點(diǎn)兩拱間距14.0m,拱腳處兩拱間距約46.66m,單根拱的兩拱腳間距約189.3m,如圖2所示。2和弦支頂結(jié)構(gòu)體系的確定茌平體育館屋蓋為球面,結(jié)構(gòu)矢高25.5m,跨度約108m,通過在特定荷載組合和周邊多點(diǎn)三向約束下,對(duì)上述跨度和矢高的凱威特單層球面網(wǎng)殼、凱威特交叉桁架體系雙層球面網(wǎng)殼、四角錐體系雙層球面網(wǎng)殼和弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系從對(duì)下部結(jié)構(gòu)水平推力、用鋼量和結(jié)構(gòu)基本周期三方面進(jìn)行比較(表1),相比前三種結(jié)構(gòu)體系,弦支穹頂從各方面都有相對(duì)較好的指標(biāo),因此確定采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系。3整體結(jié)構(gòu)的建模體育館建筑造型另外一個(gè)重要部分就是空間曲線拱,在考慮這部分建筑造型時(shí)分析比較了兩種方案:1)把拱僅做成造型拱,不參與結(jié)構(gòu)受力;2)把拱做成結(jié)構(gòu)拱,和殼面屋蓋結(jié)構(gòu)形成整體共同受力。通過研究發(fā)現(xiàn)空間曲線拱造型尺寸跨度大,如果不與屋蓋結(jié)構(gòu)形成整體,其自身的受力存在較大的問題,故采用第二種方案。由于建筑僅給出了曲線拱的三個(gè)方向的投影視圖,為進(jìn)行模型計(jì)算,需要根據(jù)建筑圖求出結(jié)構(gòu)的空間曲線,利用AutoCAD軟件的三維建模功能完成了空間曲線拱的求解。首先把平面投影線和立面投影線根據(jù)標(biāo)高關(guān)系和平面位置放在同一個(gè)圖中。利用軟件的區(qū)域面和拉伸功能,先利用立面投影線形成體1,再利用平面投影線形成體2,從而得到空間鋼拱曲線,如圖3所示。4建筑結(jié)構(gòu)的相互影響和調(diào)整4.1撐桿的設(shè)置要求根據(jù)建筑造型,兩個(gè)空間曲線拱相向傾斜,之間沒有聯(lián)系構(gòu)件,而每個(gè)拱與屋面又僅設(shè)置一排撐桿,通過定性分析拱的受力特點(diǎn)可以看出,這種布置方式存在拱受力及面外穩(wěn)定問題,因此通過與建筑協(xié)調(diào)溝通,在兩個(gè)拱之間設(shè)置撐桿(圖4)以改善拱的受力條件,同時(shí)通過初步受力計(jì)算和適當(dāng)?shù)膿螚U布置,滿足了建筑又提出的拱間撐桿的平面位置不超出屋蓋的外邊緣線的要求。4.2影響建筑功能的因素把上述結(jié)構(gòu)方案與建筑使用功能布置結(jié)合后可以發(fā)現(xiàn),弦支穹頂?shù)淖钔馊Φ膹较蚝铜h(huán)向索影響到了建筑功能的使用,如圖5中陰影部分所示。為此把弦支穹頂結(jié)構(gòu)方案軸○C4以外的部分調(diào)整為單層網(wǎng)殼,同時(shí)把軸○C4的混凝土柱向上伸長(zhǎng),作為弦支穹頂部分的周圈支點(diǎn),另外還對(duì)弦支穹頂最外圈撐桿的長(zhǎng)度按照建筑凈空的要求進(jìn)行了布置。4.3聯(lián)方型網(wǎng)格的選擇弦支穹頂部分采用K6網(wǎng)格,而單層網(wǎng)殼部分為與下部結(jié)構(gòu)支承布置協(xié)調(diào),采用聯(lián)方型網(wǎng)格。關(guān)于拱的合理曲線形式,因涉及到建筑整體比例協(xié)調(diào)的因素,不再專門進(jìn)行調(diào)整,保持原建筑的曲線形式。根據(jù)上述建筑與結(jié)構(gòu)的調(diào)整,最后形成弦支穹頂疊合拱復(fù)合結(jié)構(gòu)體系,如圖4所示。5屋頂層壓結(jié)構(gòu)特征分析5.1索、撐桿及支護(hù)采用SAP2000建立大跨度弦支穹頂疊合拱有限元模型,弦支穹頂上層及單層網(wǎng)殼桿件采用Frame單元模擬,弦支穹頂撐桿、拱間及拱與網(wǎng)殼撐桿采用Frame單元釋放兩端轉(zhuǎn)動(dòng)自由度模擬,拉索采用Cable單元模擬。弦支穹頂上層桿件采用圓鋼管,規(guī)格有?203×6,?219×7,?245×7,?273×8,?299×8,撐桿采用?219×7;空間曲線拱截面?1000×16和?1500×24,拱間及拱與弦支穹頂間撐桿規(guī)格有?325×8,?377×10,?426×10。拉索采用半平行鋼絲束,截面面積有2117,4657mm2。兩排支座的約束形式經(jīng)過定性分析認(rèn)為,由于設(shè)置了預(yù)應(yīng)力拉索,故將支座徑向約束釋放,而通過拉索預(yù)應(yīng)力的優(yōu)化減小支座徑向位移,僅在切向和豎向設(shè)置約束。由于拱跨度大,故拱腳設(shè)置為剛接,最后形成模型如圖6所示。5.2負(fù)荷環(huán)境和負(fù)荷組合5.2.1屋頂及風(fēng)壓考慮的荷載主要包括:1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重(DL),由程序自動(dòng)計(jì)算;2)屋面恒載(含檁條)(DL):0.4kN/m2(輕屋面區(qū)),0.7kN/m2(玻璃屋面區(qū));3)馬道及檢修荷載(DL):1kN/m2;4)燈具及線槽(DL):180kg/m(環(huán)向),300kg/m(徑向);5)屋面活載(LL):0.5kN/m2;8)基本風(fēng)壓(WL):0.5kN/m2,B類地面粗糙度,體型系數(shù)-0.8,風(fēng)振系數(shù)1.5;9)溫度作用(T):±30℃。5.2.2載荷組合分析時(shí)考慮的主要荷載組合見表2。5.3結(jié)構(gòu)變形方面的應(yīng)用在上述主要荷載和工況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,得出結(jié)構(gòu)變形的特點(diǎn):1)多數(shù)部位變形比較平緩,沒有突變,結(jié)構(gòu)剛度變化平緩;2)恒載作用下(圖7),在撐桿與上部網(wǎng)殼相連處的節(jié)點(diǎn)受拱與弦支穹頂相互作用,變形小于相鄰的未與拱相連的節(jié)點(diǎn),因此在施工時(shí)調(diào)整好相應(yīng)的起拱量;3)各種工況下,周邊單層網(wǎng)殼部分變形明顯大于中間弦支穹頂部分,說明單層網(wǎng)殼是結(jié)構(gòu)薄弱部位,在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)其剛度。5.4元軸2,3的彎矩圖8,9分別為網(wǎng)殼和拱的桿件在各種組合下承擔(dān)的內(nèi)力包絡(luò)情況。圖中N為單元軸力,M2,M3分別為繞單元軸2,3的彎矩(軸1為單元軸向,軸2垂直軸1并位于豎向平面,軸3垂直軸1和圖2)。從圖中可以看出結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn):1)弦支穹頂上層桿件以受壓為主;2)空間曲線鋼拱同樣以承擔(dān)軸力為主,同時(shí)承擔(dān)一定的雙向彎矩,在支座處彎矩較大;3)通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在有溫度作用參與組合下,大部分構(gòu)件內(nèi)力達(dá)到包絡(luò)最大值。5.5前50階振型觀察與分析通過模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)前50階振型的頻率分布如圖10所示。通過對(duì)前50階振型的觀察分析可以發(fā)現(xiàn):1)前5階為空間鋼拱的側(cè)向振動(dòng);2)第6~11階為鋼拱的豎向振動(dòng);3)第12階開始出現(xiàn)單層網(wǎng)殼部分的振動(dòng);4)第32階出現(xiàn)弦支穹頂部分的局部振動(dòng)。6平體育運(yùn)動(dòng)新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的提出(1)針對(duì)茌平體育館工程,分析了其建筑外形的構(gòu)成,論述了根據(jù)屋蓋造型提出并比較幾種屋蓋結(jié)構(gòu)體系的過程,最終確定出了各方面性能較好的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系作為屋蓋結(jié)構(gòu)體系。(2)分析比較了造型拱和結(jié)構(gòu)拱,確定把拱做成結(jié)構(gòu)拱后,論述了根據(jù)建筑造型確定空間曲線鋼拱的過程,提出了在茌平體育館中采用弦支穹頂疊合拱這一新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。(3)進(jìn)一步結(jié)合建筑使用功能和結(jié)構(gòu)受力的相互作用與影響,確定了對(duì)弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)布置方式進(jìn)行調(diào)整以滿足建筑使用空間,局部修改了建筑造型以滿足結(jié)構(gòu)受力要求。(4)采用有限元軟件對(duì)這一新型復(fù)合結(jié)構(gòu)