馬 清
(同濟大學建筑工程系,上海 200092)
體育館屋蓋主體呈現(xiàn)橢圓形態(tài),以縱向中軸線左右對稱.屋蓋投影的縱向最大長度為130.7m,橫向最大寬度為106.1m,屋面的最高標高為31.4m.四周立面幕墻下包至10.8m的大平臺上,比賽館最大跨度77m,采用張弦梁結(jié)構.立面由斜鋼柱提供豎向支撐,兼做外幕墻的主結(jié)構框架.尾部以飄帶形式延伸至商業(yè)中心.結(jié)構體系為:下部鋼筋混凝土框架+上部鋼結(jié)構屋蓋+立面傾斜鋼柱,效果圖見圖1.
該體育館最大跨度為77.7m,且中間跨拱起的矢跨比f/L約為1/23,遠小于常用網(wǎng)殼結(jié)構的最小矢跨比1/10,故網(wǎng)殼結(jié)構不適用于此工程.最終采用張弦梁結(jié)構體系時,為了釋放上部結(jié)構的溫度應力和減小上部結(jié)構對下部混凝土結(jié)構的支座推力,采用部分兩端滑動,部分一端滑動、一端鉸接的支座形式.
該體育館屋蓋部分分為主體育館比賽館和訓練館.在常見的空間結(jié)構中,單層殼體結(jié)構造型輕盈美觀,視覺效果良好,但由于本工程跨度較大(最大跨度為77.7m),殼體結(jié)構的正常使用性能受到限制;桁架結(jié)構造型多變,傳力合理,且適用跨度較大,適用于本工程;張弦結(jié)構使各種不同受力性態(tài)的結(jié)構體系協(xié)同工作、剛?cè)岵?,從而最大程度的發(fā)揮材料的潛力、結(jié)構受力合理、建筑造型新穎,尤其在大跨度結(jié)構中應用廣泛,同樣適用于本工程.接下來就桁架結(jié)構和張弦結(jié)構的五種方案比較優(yōu)劣,以確定最合理的結(jié)構方案.
表1 方案比選
經(jīng)上輪比選,方案B3正交張弦梁(單索)優(yōu)點明確,缺點幾乎忽略,故暫定為方案B3.
該體育館屋蓋分為比賽館和訓練館屋蓋兩部分,見下圖.
圖1 健身中心效果圖
圖2 三維模型
2.3.1 比賽館中央屋蓋
采用張弦梁結(jié)構,中間最大跨度為77.7m.初始方案為全跨張弦梁,主梁采用矩形管600×300×16×25,下方布置兩個豎向撐桿和一個V型撐桿,次梁為正交.立面如圖3所示.改進方案為:張弦梁拉索內(nèi)收8~9m,撐桿改為3或者4根豎桿,最大高度3.5m.沿縱向設置弧形次梁.改進方案在反拱和撓度同時滿足要求的情況下,索拉力明顯減小,并且可以大大減小跨中撓度,增加凈空,視覺效果更加簡潔明了.適當增強了支座處張弦梁的截面,更好地抵抗了弧形張弦梁因拱效應而產(chǎn)生的支座推力,并且造型柔和,更加優(yōu)美.經(jīng)對比可知,撐桿為3或4對結(jié)構整體性能影響不大,故選用造型更加簡潔的撐桿為3.
圖3 張弦梁原始方案
圖4 張弦梁改進方案1
圖5 張弦梁改進方案2
2.3.2 訓練館屋蓋
體育館尾部為訓練館屋面,它傾斜度較大,中間沿縱向采用四榀張弦梁,每榀張弦梁中間布一道4m撐桿,兩側(cè)采用單梁,橫向設置次梁提供平面外支撐.由于訓練館屋面傾斜度較大,短跨最大長度為26m,采用張弦梁可以很好地滿足要求.配合整體屋蓋的效果,形式優(yōu)美.
通過提取結(jié)構在典型荷載組合:1.35D+0.98L下的桿件軸力、彎矩,得到以下結(jié)論.
(1)在豎向荷載作用下,比賽館屋蓋以張弦梁受力為主.弧形張弦梁發(fā)揮了較大的拱作用,整體受壓.在支座處,適當加強張弦梁截面,使得支座處的梁截面能更好的抵抗主梁的拱效應引起的支座推力.張弦梁兩端的加強梁發(fā)揮了桁架的作用,上端梁受拉,下端梁受壓.
(2)訓練館屋蓋張弦梁的拱作用比較明顯,整體受壓,在撐桿處出現(xiàn)反彎.
(3)次梁在與縱向兩端與邊梁連接處,彎矩較大.
(4)立面鋼梁梁作用比較明顯,彎矩較大,立面鋼柱整體受壓.
由于整個結(jié)構平面超長,下部混凝土結(jié)構在通廊部分,通過設縫將體育館和商業(yè)裙房分開為兩個單體.屋蓋鋼結(jié)構通過在牛腿上設置滑動支座,也分為兩個屋蓋,分縫位置示意如下圖.該縫兼具伸縮縫和抗震縫的功能.
圖6 伸縮縫位置
上圖表示飄帶與商業(yè)區(qū)屋蓋的分縫位置,飄帶梁通過4個雙向滑動的抗震球形鋼支座連接與商業(yè)區(qū)的鋼管柱頂牛腿上.為考察該縫在大震作用下的滑程是否滿足要求,對滑動支座的滑程量進行大震作用下的反應譜分析如下:體育館屋蓋溫度縫兩側(cè)滑動支座相對滑移(1.0G+1.0EQ3)(反應譜分析)
注:G表示重力荷載代表值,EG3D表示雙向大震作用.
上表說明,柱頂偏移量X向最大為39mm,Y向最大為43mm,雙向滑移的矢量和最大為45mm,小于抗震球形鋼支座的滑程限值70mm,即支座滑移量滿足要求.
圖7 未安裝次梁時結(jié)構受力圖
圖8 安裝次梁后結(jié)構受力圖
假定以下主要施工順序:
第一步:在主梁下設置至少三個塔架支撐,并通過纜風繩等措施保障主梁的側(cè)向穩(wěn)定性.考察變形和應力比,均可以滿足.
由上圖可知,ZLb,ZLc,PDZ1,PDZ2 受力較大,列表如下,其余構件受力很小.
第二步:在主梁下設置至少三個塔架支撐,同時安裝次梁保障主梁的側(cè)向穩(wěn)定性.考察變形和應力比,均可以滿足.
第三步:開始張拉拉索.使主梁脫離塔架,結(jié)構自身成立.
施工時注意事項:
①吊裝主梁時應通過合理措施保障主梁的側(cè)向穩(wěn)定性
②高空焊接應有有效措施保障焊接質(zhì)量
③拉索張拉應由具有資質(zhì)的專業(yè)張拉公司進行,先完成施工張拉模擬計算,提交設計院審核,再完成施工張拉方案,組織專家評審通過后,方可進行施工張拉.
④張拉過程中應有完備的變形和索力監(jiān)測
⑤業(yè)主應組織獨立第三方進行焊接質(zhì)量監(jiān)測,作為竣工驗收的一部分.
圖9 荷載位移曲線
圖10 中央屋蓋塑性發(fā)展圖
1)結(jié)構彈塑性極限承載力
在ANSYS中,同時考慮結(jié)構幾何非線性和材料非線性,采用經(jīng)典的雙線性隨動強化模型,假定材料為理想彈塑性材料,符合von Mises屈服準則,屈服應力為345N/mm2,得到結(jié)構的荷載位移曲線如下:
上圖表明臨界荷載因子為3.66,結(jié)構最終是由于桿件較多進入塑性而無法繼續(xù)承載,為強度破壞.故強度破壞之前結(jié)構并未發(fā)生整體失穩(wěn),表明極限承載能力較強,結(jié)構整體穩(wěn)定性較好.
2)塑性發(fā)展機制
跟蹤結(jié)構的塑性發(fā)展機制,如下表,結(jié)構達到極限承載力時的應力分布如下圖:
(1)本文重點介紹了某體育館主館的鋼屋蓋結(jié)構設計及方案比選,對結(jié)構關鍵問題進行了分析.結(jié)構結(jié)構布置合理,傳力途徑明確,受力合理.
(2)張弦梁采用改進方案,減小了張弦跨度,根部主梁適當加強,造型更加簡潔明了、美觀.
(3)由于跨度過長,溫度應力影響很大,本結(jié)構通過在牛腿上設置滑動支座將鋼屋蓋分為兩個單體,該縫兼具伸縮縫和抗震縫的功能.
(4)本結(jié)構為張弦梁結(jié)構,施工順序很關鍵,通過施工模擬,初步確定施工過程中,結(jié)構安全.
(5)經(jīng)過優(yōu)化設計,該體育館主館的鋼屋蓋用鋼量為53kg/m2,總體的用鋼量為58kg/m2.
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