廣西體育中心游泳跳水館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

荊向曉 劉 宏 胡 剛

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，廣西 南寧 530011）

1 工程概況

廣西體育中心游泳跳水館位于規(guī)劃五象新區(qū)核心區(qū)的邊緣地帶，東鄰邕江新大橋，西臨南寧大橋，北倚五象大道，是一座以能夠承辦全國(guó)性運(yùn)動(dòng)會(huì)、區(qū)域性國(guó)際運(yùn)動(dòng)會(huì)和部分國(guó)際、國(guó)內(nèi)重大單項(xiàng)水上賽事，兼顧平時(shí)使用和市民健身、娛樂(lè)等功能于一體的大型體育設(shè)施。其建筑結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)240.0m，寬114.0m，高31.5m，總建筑面積31500m2，可容納觀眾4073人，本工程已于2012 年9 月通過(guò)竣工驗(yàn)收，圖1 為鳥(niǎo)瞰圖，圖2 為竣工照。

圖1 游泳跳水館鳥(niǎo)瞰圖

圖2 游泳跳水館竣工照

工程主體結(jié)構(gòu)為地下1 層，地上3 層。地下室為水電設(shè)備用房，地上一層為賽事競(jìng)賽用房，包括運(yùn)動(dòng)員用房，裁判用房，競(jìng)賽管理用房，媒體用房等，地上二層及三層為觀眾廳及服務(wù)用房。游泳跳水館外部為空間管桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)外結(jié)構(gòu)由于建筑需要彼此相互獨(dú)立，僅通過(guò)基礎(chǔ)梁有所連接。

2 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系

該工程鋼屋蓋主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①屋蓋外形如梭形，屋頂無(wú)挑出，從頂?shù)降孛鏋楣饣^(guò)渡；②屋頂中部局域建筑設(shè)計(jì)為聚碳酸酯采光板屋面，要求盡量通透；③鋼屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需外露，結(jié)構(gòu)的選型尤為重要，結(jié)構(gòu)需成就建筑美，并體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)美。

根據(jù)上述特點(diǎn)，綜合考慮荷載分布、地質(zhì)情況和結(jié)構(gòu)受力性能，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用空間管桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)體系。主要受力體系為由橫向八榀落于地面基礎(chǔ)的空間管桁架，與縱向四榀落于兩端墩臺(tái)的空間管桁架，共同組成一個(gè)獨(dú)立的空間桁架結(jié)構(gòu)。橫向管桁架支座均采用成品抗震固定球鉸支座，縱向管桁架采用滑動(dòng)球鉸支座。主桁架結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。橫向空間桁架與縱向空間桁架之間均設(shè)置單層網(wǎng)殼進(jìn)行聯(lián)結(jié)，起到傳遞屋面系統(tǒng)荷載并增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的作用。鋼材材質(zhì)除側(cè)面支撐幕墻的豎向鋼管由穩(wěn)定性控制選擇Q235B 外其余為Q345B。整體結(jié)構(gòu)模型如圖4 所示。

圖3 主桁架結(jié)構(gòu)布置

圖4 整體結(jié)構(gòu)布置

2.1 主桁架結(jié)構(gòu)方案選擇

根據(jù)建筑方案要求，橫向八榀落于地面基礎(chǔ)的空間管桁架截面必須設(shè)計(jì)為倒三角形。桁架間距22.4m，跨度90.340～53.415m，建筑高度31.400～22.900m。為了體現(xiàn)結(jié)構(gòu)美，按受力特點(diǎn)，橫向空間管桁架均為變截面三角形，桁架在兩端折角處截面最大，向柱腳、跨中處逐漸收小，典型立面如圖5 所示；每榀橫向空間管桁架截面亦各不相同，位于建筑中間的桁架截面最大，向兩端各桁架截面隨著跨度的減小逐漸變小。橫向管桁架上弦桿件截面選用600×12、600×18 和600×30 三種類(lèi)型；下弦桿件截面選用600×12、600×18、900×25 及900×28 四種類(lèi)型，后兩種截面主要用于管桁架柱段部分；腹桿截面則根據(jù)受力需要選用203×6、273×14、299×14、426×16 及500×28 五種類(lèi)型，材質(zhì)均為Q345B。

圖5 橫向空間管桁架典型立面圖

縱向空間管桁架起聯(lián)系和支撐的作用，設(shè)置在橫向桁架轉(zhuǎn)折處。原建筑方案要求縱向桁架截面亦為倒三角形，在橫向桁架轉(zhuǎn)折處下弦桿件則如圖6 所示，按此種方案計(jì)算發(fā)現(xiàn)橫向桁架下弦桿所受彎矩很大，失去桁架桿件應(yīng)主要受軸力的特點(diǎn)，桿件亦很難滿(mǎn)足；經(jīng)過(guò)與建筑協(xié)商最終縱向桁架截面采用倒梯形，保持建筑原上大下小收的趨勢(shì)，典型截面如圖7 所示，即通過(guò)縱向空間桁架下弦組成的平面桁架轉(zhuǎn)移了橫向桁架轉(zhuǎn)折處下弦桿件的彎矩，另外建筑馬道亦可直接設(shè)置在縱向桁架里，一舉兩得，獲得了建筑的認(rèn)可?？v向管桁架上弦桿件截面選用450×10，下弦桿件截面選用299×8，腹桿截面則選用203×6，材質(zhì)均為Q345B。

圖6 橫向桁架轉(zhuǎn)折處下弦桿件連接

圖7 主桁架典型截面

2.2 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方案選擇

橫向空間桁架間距約22.4m，按常規(guī)宜設(shè)次桁架進(jìn)行跨越，但建筑設(shè)計(jì)為暴露鋼結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單輕巧，經(jīng)分析可沿建筑造型做成單層網(wǎng)殼的形式。最初結(jié)構(gòu)方案是全部做成三角形網(wǎng)格如圖8 所示，結(jié)構(gòu)整體剛度大，穩(wěn)定性好；但是建筑強(qiáng)烈要求中間采光區(qū)域不能為三角形，最終協(xié)商妥協(xié)為如圖4 所示，僅在采光區(qū)域布置兩跨三角形網(wǎng)格，其余則采用四邊形網(wǎng)格，此種方式雖無(wú)初始方案整體剛度大，但亦具有一定的剛度，能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

圖8 三角形網(wǎng)格形式

單層網(wǎng)殼桿件截面選用450×10、450×9、203×6 及219×10 四種類(lèi)型。其中除450×9 截面桿件材質(zhì)為Q235B 外，其余材質(zhì)均為Q345B。建成后的室內(nèi)效果如圖9 所示。

3 鋼屋蓋整體分析

3.1 鋼屋蓋的建模與分析方法

由于屋蓋外形為梭形，無(wú)法用數(shù)學(xué)解析方程來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)屋蓋殼面，這給結(jié)構(gòu)建模帶來(lái)了較大的難度。本工程以建筑表皮定出控制線(xiàn)并在CAD 中完成了屋蓋結(jié)構(gòu)的三維精確幾何建模，其中相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間桿件采用直線(xiàn)段模擬，同時(shí)為了后期導(dǎo)荷方便，相鄰四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間輸入三維面。CAD 建模時(shí)一定要分圖層，比如上弦桿一個(gè)圖層，腹桿一個(gè)圖層等，主要是為了后續(xù)在結(jié)構(gòu)分析軟件里對(duì)桿件和面進(jìn)行管理時(shí)比較方便。

圖9 游泳館室內(nèi)照

本工程采用SAP2000 作為主結(jié)構(gòu)分析軟件，SAP2000 是由CSI 公司開(kāi)發(fā)研制的通用有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，是美國(guó)乃至全球公認(rèn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序。采用浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的MST2008 作為補(bǔ)充結(jié)構(gòu)分析軟件。

CAD 模型建完后將其按圖層對(duì)應(yīng)分組導(dǎo)入SAP2000。其中所有桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，本工程為空間結(jié)構(gòu)，桿件受力復(fù)雜，梁?jiǎn)卧璋磯簭潣?gòu)件考慮；面單元主要是為了輸入荷載和導(dǎo)荷，因此采用沒(méi)有厚度和質(zhì)量的虛面進(jìn)行模擬，鋼屋蓋SAP2000 整體模型如圖10 所示。

圖10 鋼屋蓋SAP2000 整體模型

3.2 荷載選取及地震作用考慮

在計(jì)算中，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）（2006 年版），對(duì)鋼屋蓋進(jìn)行恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、降溫25℃、升溫30℃總計(jì)5種單工況作用，荷載組合則按規(guī)范考慮了22 種組合。由于本工程體型復(fù)雜，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)確定了風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)等各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)。

地震作用則按規(guī)范與安評(píng)報(bào)告包絡(luò)設(shè)計(jì)考慮，采用三階段抗震驗(yàn)算：第一階段：驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性位移時(shí)，采用多遇地震作用，按彈性方法計(jì)算；第二階段：驗(yàn)算構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和連接強(qiáng)度時(shí)，采用設(shè)防烈度地震作用，按彈性方法計(jì)算；第三階段：在罕遇地震作用下，按彈塑性時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈塑性位移和桿件塑性變形能力。

3.3 鋼屋蓋整體分析要點(diǎn)

模型計(jì)算完后，應(yīng)主要關(guān)注以下幾點(diǎn)。

（1）模態(tài)分析結(jié)果：振型質(zhì)量參與系數(shù)應(yīng)大于0.9；第一振型應(yīng)以平動(dòng)為主；結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比不應(yīng)大于0.9。

（2）結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)水平位移：應(yīng)滿(mǎn)足控制點(diǎn)水平位移/控制點(diǎn)高度≤1/500。本工程此項(xiàng)比值為1/1519，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（3）結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)豎向位移：應(yīng)滿(mǎn)足控制點(diǎn)豎向位移/鋼結(jié)構(gòu)跨度≤1/400。本工程此項(xiàng)比值為1/656，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）桿件應(yīng)力比：桿件應(yīng)力比應(yīng)控制在合理范圍，本工程控制桿件應(yīng)力比不超過(guò)0.85，關(guān)鍵桿件比如支座桿件應(yīng)力比不超過(guò)0.7。

（5）支座節(jié)點(diǎn)受力是否合理：計(jì)算完后，查看支座節(jié)點(diǎn)在各種工況下的反力，確定支座或其支撐構(gòu)件是否能承受，比如支座承受很大的彎矩或水平剪力均不可取。本工程縱向管桁架原本采用固定球鉸支座，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)在升溫工況下水平推力巨大，支座及起支撐構(gòu)件很難滿(mǎn)足受力及變形要求，經(jīng)過(guò)對(duì)比后縱向管桁架最終采用滑動(dòng)球鉸支座，以釋放溫度不利作用。

模型需經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整計(jì)算分析，滿(mǎn)足以上幾點(diǎn)后才能基本確定，為后續(xù)其他分析打好基礎(chǔ)。

4 鋼屋蓋穩(wěn)定性分析

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)由于跨度大、造型復(fù)雜可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，在設(shè)計(jì)中必須加以考慮。失穩(wěn)現(xiàn)象可分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，整體失穩(wěn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)幾乎都出現(xiàn)偏離平衡位置并發(fā)生很大幾何變位的失穩(wěn)現(xiàn)象；局部失穩(wěn)則指只有局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏離平衡位置發(fā)生很大幾何變位的失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。一般如果桿件和節(jié)點(diǎn)按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)局部失穩(wěn)可得到控制，整體失穩(wěn)分析則成為大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析方法主要有：①求矩陣方程的特征值方法。此方法未能考慮安裝缺陷的影響，其結(jié)果可作為穩(wěn)定承載力上限，并可給第二種和第三種方法提供初始缺陷分布。②幾何非線(xiàn)性有限元分析法。此方法不考慮材料非線(xiàn)性，但考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)在荷載作用下進(jìn)行彈性非線(xiàn)性分析。③雙重非線(xiàn)性有限元分析法。此方法既考慮幾何非線(xiàn)性又考慮材料非線(xiàn)性，在計(jì)算中可以考慮初始缺陷，其結(jié)果能較準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力[1]。

本工程利用ANSYS 采用雙重非線(xiàn)性有限元分析法對(duì)鋼屋蓋整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖11 所示，其中工況1：恒載+滿(mǎn)跨活載；工況2：恒載+半跨活載。具體分析過(guò)程可參考文獻(xiàn)[2]。

圖11 雙重非線(xiàn)性荷載-位移曲線(xiàn)

從圖11 可看出兩種工況下雙重非線(xiàn)性分析結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)均大于2[3]，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

5 鋼屋蓋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼屋蓋橫向管桁架作為主要的受力構(gòu)件，其主管的截面尺寸較大；在橫向管桁架和縱向管桁架交界的地方主管上可能連接多根次管，受力非常復(fù)雜，采用相貫焊接方法質(zhì)量不能保證，故此區(qū)域的節(jié)點(diǎn)均采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，并需要對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，鑄鋼節(jié)點(diǎn)如圖12 所示。

圖12 鑄鋼節(jié)點(diǎn)

本工程首先利用ANSYS 對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，得出需在主管內(nèi)部增加兩道環(huán)狀加勁板的結(jié)論。具體分析過(guò)程參考文獻(xiàn)[4]，以下僅以典型節(jié)點(diǎn)8 進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖13 為節(jié)點(diǎn)8 未設(shè)加勁板的vonMises 應(yīng)力圖，從圖中可以看出支管與主管交界處von Mises 應(yīng)力大范圍進(jìn)入屈服階段，最大應(yīng)力達(dá)到496MPa，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)8 進(jìn)行加固處理。

在主管內(nèi)部增加兩道環(huán)狀加勁板，幾何尺寸如圖14 所示。

圖15 為節(jié)點(diǎn)8 設(shè)兩塊加勁板的von Mises 應(yīng)力圖，通過(guò)有限元結(jié)果可以看出：增加兩塊環(huán)形加勁板后，桿件交匯處的應(yīng)力水平明顯降低，最大處的von Mises 應(yīng)力為267MPa，滿(mǎn)足構(gòu)件的彈性設(shè)計(jì)要求。

其次為了測(cè)試鑄鋼節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力情況，委托同濟(jì)大學(xué)對(duì)節(jié)點(diǎn)8 和節(jié)點(diǎn)11 進(jìn)行足尺鑄鋼節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)[4]。節(jié)點(diǎn)材料采用鑄鋼G20Mn5（N）。為消除支座、加載等裝置的約束對(duì)試驗(yàn)部位應(yīng)力分布的影響，兩個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的每個(gè)管端均按實(shí)際工程的焊接方法焊接了一段與實(shí)際工程型號(hào)相同的鋼管。焊接外伸管后的鑄鋼節(jié)點(diǎn)模型如圖16 所示。

圖13 節(jié)點(diǎn)8 von Mises 應(yīng)力/MPa

圖14 節(jié)點(diǎn)8 加勁板幾何尺寸

圖15 節(jié)點(diǎn)8（加勁）von Mises 應(yīng)力

圖16 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果的比較，結(jié)果表明兩種結(jié)果的曲線(xiàn)吻合較好，各類(lèi)節(jié)點(diǎn)均可靠安全。

6 結(jié)論

（1）本工程采用空間管桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)體系，不僅能滿(mǎn)足建筑要求，而且結(jié)構(gòu)受力明確合理。

（2）本工程鋼屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需外露，按受力特點(diǎn)，橫向空間管桁架均為變截面三角形，桁架在兩端折角處截面最大，向柱腳、跨中處逐漸收小，結(jié)構(gòu)成就建筑美，并體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)美。

（3）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型不可能一次就定下來(lái)，需經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整計(jì)算分析，滿(mǎn)足鋼結(jié)構(gòu)整體分析要點(diǎn)后才能基本確定。

（4）需重視鋼屋蓋的整體穩(wěn)定性分析，對(duì)于重要和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)補(bǔ)充進(jìn)行雙重非線(xiàn)性屈曲分析。

（5）需重視鋼屋蓋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析，可先采用有限元軟件進(jìn)行模擬分析，必要時(shí)還需進(jìn)行足尺試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

（6）本工程于2012 年竣工，已使用多年，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，本文所提方法可供類(lèi)似工程參考。