淺析長泰主體育場看臺罩棚鋼結(jié)構(gòu)設計

藍鵬飛

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361000)

1 工程概況

本工程位于漳州長泰縣，項目包括展覽館、科技館、綜合體育館、主體育場等。其中主體育場總長度約為249.5m，總寬度約為 246.3m，通過設縫分為四部分，總面積約為21439m2。東、西兩側(cè)為看臺區(qū)(西側(cè)看臺為主看臺)，下部為混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部看臺頂部設有懸挑鋼結(jié)構(gòu)罩棚。西看臺弧形總長度為 147m，徑向尺寸寬度為22.9m，東看臺弧形總長度為95.8m，徑向尺寸寬度為22.9m(單跨柱距8.1m+懸挑長度13.8m)，檐口高度約23.700 m，沿弧形方向柱距8.633m。(單跨柱距8.1m+懸挑長度13.8m)，檐口高度約17.910 m，沿弧形方向柱距8.633m。主體體育場總效果圖詳見(圖1)、東看臺屋頂平面圖見(圖2)、西看臺屋頂平面圖見(圖3)。本工程為丙類建筑，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，場地土類別為II類。基本風壓為Wo=0.55kN/m2，地面粗糙度為B類。

圖1 主體育場效果圖

圖2 東看臺屋頂平面圖

圖3 西看臺屋頂平面圖

2 看臺罩棚鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)體育場的建筑要求及下部建筑布置，通過對不同結(jié)構(gòu)體系應用比較分析，最后確定采用雙支點的懸挑式結(jié)構(gòu)，懸挑式罩棚采用鋼管立體桁架形式。

圖4 罩棚結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 罩棚主桁架單元圖

(1)主、次桁架:

結(jié)合下部看臺結(jié)構(gòu)，懸挑式主桁架利用看臺下方的柱作為前后支點，形成力臂從而有效解決懸挑主桁架的抗傾覆問題。東(西)側(cè)看臺罩棚在徑向沿著下部結(jié)構(gòu)框架柱距布置12(18)榀主桁架單元，主桁架間距為下部柱網(wǎng)間距8.633m。主桁架截面形式采用倒三角立體管桁架(圖4、圖5)。

圖6 罩棚次桁架單元圖

在看臺罩棚環(huán)向主桁架單元之間布置三道次桁架，其中兩道為倒三角鋼管次桁架，與主桁架弦桿在看臺柱柱頂處相貫連接，既保證了主桁架環(huán)向荷載的傳遞，又為主桁架提供了可靠的防側(cè)傾體系，減小了主桁架面外計算長度，有效發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)的空間作用。

在主桁架單元懸挑尾部部，次桁架的截面形式結(jié)合建筑此處設置環(huán)向檢修馬道要求，布置一道菱形次桁架(圖6)，作為檢修馬道的通道，同時該桁架對主桁架端部側(cè)向起到支撐作用，增強了整個罩棚屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。

(2)屋面支撐系統(tǒng)布置

為加強屋蓋系統(tǒng)的整體剛度，在主次桁架上弦間距布置了4道屋面水平支撐。屋面體系通過由主桁架、次桁架與水平支撐共同構(gòu)成穩(wěn)定的幾何不變體系。

(3)屋面檁條布置及圍護體系

本工程中屋面為彩色壓型鋼板屋面(雙層彩板圍護)，屋面檁條采用C型鍍鋅檁條。在屋面檁條布置時，考慮到本工程結(jié)構(gòu)為敞開式結(jié)構(gòu)，風荷載作用影響比較大。參考《荷載規(guī)范》及其它工程的風洞試驗報告等相關(guān)資料，檁條考慮在屋蓋端部及邊緣區(qū)域構(gòu)造加密，以保證屋面圍護及檁條等在風荷載作用下的抗風能力。

(4)下部看臺框架柱

看臺罩棚下為多層混凝土框架結(jié)構(gòu)的看臺及用房，根據(jù)建筑外觀效果要求，看臺以上部分框架柱為圓柱。由于下部為混凝土結(jié)構(gòu)，上部看臺罩蓬為鋼結(jié)構(gòu)，考慮到上下部分的連接等處理，本工程中看臺框架柱采用鋼管混凝土柱截面。鋼管混凝土柱下端往下延伸一層插入混凝土框架柱內(nèi)形成剛接柱腳(圖7、圖8)。

圖7 東罩棚結(jié)構(gòu)剖面圖

圖8 西罩棚結(jié)構(gòu)剖面圖

(5)主要構(gòu)件尺寸

主桁架(倒三角鋼管立體桁架):上弦管Φ203×10，下弦管 Φ351×16，腹桿 Φ133×5;

次桁架1(倒三角鋼管立體桁架):上弦管Φ76×6，下弦管Φ121×5，腹桿 Φ68×4;

次桁架2(倒三角鋼管立體桁架):上弦管Φ121×5，下弦管 Φ121×5，腹桿 Φ95×4;

水平支撐:Φ114×4;

鋼管混凝土柱:Φ500*20(C35)

檁條:C280×70×20×3.0

桁架鋼管均采用熱軋無縫鋼管(Q345B)

3 罩棚荷載條件

(1)恒荷載:彩板板及檁條等自重0.35kN/m2、;馬道及燈具等重量1.80kN/m;

(2)可變荷載:屋面活荷載0.3kN/m2(整體計算桁架);屋面馬道活荷載2.0kN/m2;

屋面虹吸排水荷載3.5kN/m。

(3)風荷載:基本風壓0.55kN/m2(重現(xiàn)期為50年)，場地粗糙度類別為B類。

一般對于造型復雜或規(guī)范上未明確給出的體型系數(shù)的和風振系數(shù)的結(jié)構(gòu)，需通過風洞試驗或者CFD數(shù)值模擬結(jié)果確定風壓分布，從而為主體結(jié)構(gòu)風荷載提供準確的設計依據(jù)。本工程中由于條件限制，參考相關(guān)資料及國外規(guī)范要求，對本工程中的懸挑罩棚風荷載體型系數(shù)取值考慮為:風吸?。?.0，風壓取1.3;

考慮到本罩棚為懸挑型大跨屋蓋，同時屋面質(zhì)量較輕，按照荷載規(guī)范要求考慮風振問題，風振系數(shù)有風荷載作用下由軟件結(jié)構(gòu)動力計算得出。

(4)溫度作用:溫度應力按±15度考慮。

(5)地震作用按照《建筑抗震設計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定考慮，并考慮進行豎向地震作用下驗算。

4 罩棚鋼結(jié)構(gòu)計算分析

本工程中罩棚鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析采用同濟大學編制的3D3S(V11.0)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件進行計算分析。

主桁架(倒三角鋼管立體桁架)桁架截面高度為1.8m，寬度為1.8m;次桁架(倒三角鋼管立體桁架)桁架截面高度為1.8m，寬度為1.8m。

(1)計算模型的假定說明

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第10.1.4條要求及《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.1.4條規(guī)定，本工程立體桁架模型計算分析時腹桿與弦桿按照鉸接與剛接兩種模型計算對比并按照雙控包絡設計。

(2)立體桁架的計算長度取值考慮

根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.1.2條要求，立體管桁架受壓桿件的計算長度系數(shù)取1.0。本工程中分析主桁架時取節(jié)間長度進行計算設計?？紤]本工程中主桁架有較大的懸挑長度，主桁架下弦在荷載作用下會出現(xiàn)受壓情況，主桁架設計時按取面外次桁架間距長度進行復核驗算。

(3)3D3S電算結(jié)果分析控制

圖9 西罩棚變形云圖

本工程鋼結(jié)構(gòu)桿件在所有組合作用下的應力比等都控制:主次桁架弦桿控制在0.8以下，其他桿件控制在0.85以下，對于支座處的主桁架腹桿給予加強考慮。

本工程罩棚鋼結(jié)構(gòu)變形為恒載+活載+風壓組合作用下時主桁架端部撓度最大，其最大撓度為12800÷82.307=155.5＞125(整體位移要求)，懸挑罩棚滿足懸挑結(jié)構(gòu)＞1/125的要求，變形圖如(圖9)所示。

5 節(jié)點連接設計

在立體桁架結(jié)構(gòu)中，采用桿件直接焊接的相貫節(jié)點外形簡潔，能較好地滿足建筑外觀要求。管桁架中相貫節(jié)點連接是尤為重要節(jié)點，本工程主次桁架連接節(jié)點均采用相貫節(jié)點連接，節(jié)點示意如(圖10)所示:

圖10 典型相管節(jié)點示意圖

對連接節(jié)點均按照《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設計規(guī)范》相關(guān)要求進行復核。對于主桁架與下部鋼管混凝土柱連接節(jié)點，由于規(guī)范中沒有給出明確的算法及計算公式，考慮到此節(jié)點的重要性及節(jié)點處理特殊性，故采用ABAQUS有限元分析軟件進行建模分析。由于此連接節(jié)點在不同工況荷載作用下會出現(xiàn)受拉、受壓，設計時提取計算模型的節(jié)點內(nèi)力進行有限元計算分析。根據(jù)計算結(jié)果，鋼管柱與主桁架下弦管通過相貫連接焊縫能夠得到有效傳遞，在連接節(jié)點角部出現(xiàn)局部應力集中，在節(jié)點構(gòu)造上通過加設豎向加勁肋加強豎向力的傳遞及節(jié)點的承載能力及變形能力。節(jié)點模型及構(gòu)造大樣圖如后(圖11)所示。

在鋼管混凝土柱內(nèi)中間柱柱對接處設置十字加勁肋，十字加勁肋插入鋼管內(nèi)混凝土的長度按照兩者之間的粘結(jié)力保證受拉、受壓作用下的內(nèi)力傳遞設計計算，起到節(jié)點的二道防線措施。

6 結(jié)束語

通過本工程的看臺罩棚的結(jié)構(gòu)布置、荷載分析、整體結(jié)構(gòu)計算比較、節(jié)點連接等結(jié)構(gòu)設計分析，對于后續(xù)類似工程有以下方面幾點可供參考注意:

(1)對于懸挑看臺罩棚結(jié)構(gòu)需根據(jù)建筑及下部看臺結(jié)構(gòu)情況進行結(jié)構(gòu)體系比較確定并進行合理的結(jié)構(gòu)布置;

(2)懸挑看臺罩棚結(jié)構(gòu)抗風設計應給予注意重視，對于不同結(jié)構(gòu)的風荷載體型系數(shù)需給予具體分析考慮;

(3)立體管桁架的計算假定及模型分析應進行包絡設計，按照不利值計算設計;

(4)對于支座等特殊節(jié)點應給予重點設計，進行詳細分析以確定節(jié)點構(gòu)造措施，以保證節(jié)點的安全;

本工程設計及本文編寫均得到本院技質(zhì)部肖偉總工、楊瑪莎總工、張樹傳總工及同事陳德平、陳躍輝等大力指導，謹在此表示感謝!

[1]GB50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[2]JGJ－2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50011－2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4]GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5]丁潔民，張崢等.大跨度建筑鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設計選型與設計[M].同濟大學出版社.