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摘　要：大跨度空間結構是目前發(fā)展最快的結構類型之一，其技術的發(fā)展是一個國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標準和建筑科技水平的重要標準之一。當跨度增大時，空間結構就越能顯示出其優(yōu)異的技術經(jīng)濟性能。近年來，大跨度空間結構設計的理論和技術水平得到了交大的提高。本文將對濰坊市體育中心—體育場的結構體系的設計進行闡述，以期對類似工程有參考作用。
關鍵詞：大跨度空間鋼管桁架結構設計

     1、工程概況
      濰坊市體育中心—體育場項目是濰坊市為2009年第十一屆全國運動會規(guī)劃建設的重點體育設施項目。體育場位于濰坊市濰城區(qū)的核心地區(qū)，北宮西街北側，安順路東側，臥龍街南側，清平路西側。
整個體育場為六層鋼筋混凝土框架結構，看臺共三層，看臺罩蓬為大跨度鋼桁架結構承重結構體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺罩蓬的結構設計。

     體育場看臺罩蓬平面呈橢圓形，屋蓋為四分之一圓弧形，長軸263米，短軸240米，東西側設有落地拱形金屬拱形屋蓋，覆蓋整個東西兩側觀眾席，落地拱長300米，最大進深63.5米，落地拱高70米，看臺最高點標高35.4m,金屬屋面高57米。看臺罩蓬面積約為20000平方米。全場可容納觀眾約45000人。見圖1
 

濰坊市體育中心—體育場效果圖
 

2、結構概況
     體育場看臺罩蓬結構體系可分為縱，橫向結構體系，縱向結構體系為單榀曲面拱形管桁架，桁架跨度L=300米，矢高f=70米，矢跨比f/L=1/42.8,較一般桁架矢跨大，剛度較好，桁架橫截面為三根鋼管弦桿組成的正三角形，單?鋼管軸線平面投影為曲線，與平行拱相比，其建筑造型更為優(yōu)美。橫向結構體系為跨度為約27米~63.5米不等的18榀懸挑剛架和7道縱向環(huán)梁。各剛架之間的間距為8米~10.5米不等。剛架梁和剛架柱都為單根鋼管，梁和柱平面內(nèi)設置斜撐，斜撐上點約在距梁柱節(jié)點5米處，下點位于柱腳處。縱向環(huán)梁為單根鋼管，剛接在剛架梁上，同時可作為鋼架梁的平面外支撐，保證剛架的側向穩(wěn)定和剛架的整體穩(wěn)定。每榀剛架與拱形桁架的平面內(nèi)設置兩根鋼拉桿和一根斜撐，拉桿上節(jié)點在桁架的上弦節(jié)點，下拉點在剛架的前懸挑端4~6米處，斜撐上拉點位于近剛架內(nèi)側桁架上弦節(jié)點，下拉點在剛架的前懸挑端約15米處。連接節(jié)點均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管，節(jié)點均為相貫面焊接。該結構由拱形桁架，懸挑剛架和環(huán)梁通過鋼拉桿和斜撐連接在一起，形成一個完整的自平衡體系，同時兩種結構體系的相互作用，使兩者具有變形協(xié)調(diào)的關系，較好地控制了結構體型的變形，不僅大幅度降低了剛架的豎向撓度，而且有效提高了結構的穩(wěn)定承載力。同時，簡潔有序的幾何構形同時取得了建筑美學效果。由于體育場看臺罩蓬的橫結構體系類似于平面受力體系，由拱形桁架，剛架,和縱向環(huán)梁和拉桿組成的構件，在縱橫向有較大的剛度。該結構具有結構輕盈，鋼結構構件類型少的特點，具體結構平面圖和剖面圖布置如下：見圖2，圖3
 

3、 荷載和作用
     3.1設計使用年限與安全等級圖
     按照相關要求和設計規(guī)范，結構耐久性設計年限為50年，設計基準期為50年，結構重要性系數(shù)為1.0，建筑耐火等級為一級。看臺罩蓬鋼結構的安全等級提高為一級，結構重要性系數(shù)為1.1。
     3.2恒荷載與活荷載
     恒荷載包括結構自重，屋面檁條，屋面板以及涂層和焊縫的質(zhì)量。其中結構構件自重由輔助計算的程序自動計算，其他恒荷載按面荷載0.4kN/m2考慮。活荷載按面荷載0.4kN/m2考慮，考慮屋面活荷載分布不均勻性的影響，設計時采用半跨活荷載考慮其不利影響。
     3.3 地震作用
     抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.15g,設計地震分組為第一組，建筑抗震設防為乙類，設計基準期為50年。勘察報告顯示該地區(qū)場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35S，上部看臺罩蓬鋼結構阻尼比為0.2。
     3.4 風荷載  
     根據(jù)GB50009-2001 《建筑結構荷載規(guī)范》（2006年版），本工程取50年一遇的基本風壓W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度類別為B類。由于結構為大跨度結構，周邊基本敞開未封閉，其上下表面均受風的作用，風荷載分布較為復雜，通過比較，風向角為0°，45°，60°，90°時風的分布對結構設計最為不利。風壓高度變化系數(shù)由程序自動計算，設計時取風振系數(shù)為1.6。
     3.5荷載工況組合
     結構設計組合考慮了正負30度溫差效應，水平地震，各風向角等工況，采用的荷載工況組合形式共計50多種，溫度效應對大跨度空間結構影響較大，而現(xiàn)規(guī)范對溫差效應無明確規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及參考相應規(guī)范，承載能力極限狀態(tài)荷載效應組合時，溫度效應組合系數(shù)取1.2，考慮到最不利溫差與活荷載，地震，風，雪等作用同時發(fā)生的可能性很小，與上述荷載組合時組合系數(shù)取0.6，正常使用狀態(tài)組合時組合系數(shù)取1.0恒載+1.0溫差效應。對于正常使用極限狀態(tài)，計算結構位移取標準組合。

四、結構整體計算與設計
     通過CAD為操作平臺，根據(jù)實際結構中個桿件的空間位置建立模型，其整體模型如下圖，(見圖4)再根據(jù)上述條件，荷載及組合對結構進行整體計算，由計算確定的主要結構桿件截面如下：1）拱形管桁架部分：上弦截面尺寸為￠711x16,下弦截面尺寸為￠801x16, 靠近拱腳部位腹桿截面尺寸為￠508x16, 中間腹桿截面尺寸為￠355x10,拉桿和斜撐截面尺寸分別為￠457x12, ￠508x16。2）剛架部分：1~3榀柱和梁截面尺寸均為￠801x20,斜撐截面尺寸為￠610x16, 4~6榀柱和梁截面尺寸分別為￠801x20和￠912x20,斜撐截面尺寸為￠610x16,7~9榀梁和柱截面尺寸分別為￠912x20和￠910x20, 斜撐截面尺寸為￠865x20。3）屋面環(huán)梁截面尺寸均為￠560x16。以上所有桿件材質(zhì)均為Q345C，工程采用同濟大學的3D3S9.0結構設計軟件對看臺罩蓬鋼結構和單元構件進行了整體分析計算,其分析 結果如下：
 

 
大跨度屋蓋結構 三維軸側圖
 

     4.1結構振動特性
     表一  結構自振周期
 

     可以看出鋼罩蓬結構的前三階振型以整體平動和豎向振動為主，第一振型為橫向平動，周期為0.7968s,說明豎向剛度較大而水平剛度較小，第二振型為整體豎向振動，說明結構的整體性能較好，第三振型為屋蓋彎曲變形振動，彎曲變形振動形式嚴格按照對稱布置，周期為0.6026s,其后頻譜較密集，結構整體性強，局部振型不明顯。表明結構的整體剛度大，剛度和質(zhì)量分布均勻。

大跨度屋蓋結構 剛接支座圖


大跨度屋蓋結構 滾軸支座