摘 要：大跨度空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型之一，其技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)和建筑科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。當(dāng)跨度增大時(shí)，空間結(jié)構(gòu)就越能顯示出其優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。近年來(lái)，大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和技術(shù)水平得到了交大的提高。本文將對(duì)濰坊市體育中心—體育場(chǎng)的結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，以期對(duì)類似工程有參考作用。
關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、工程概況
濰坊市體育中心—體育場(chǎng)項(xiàng)目是濰坊市為2009年第十一屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)體育設(shè)施項(xiàng)目。體育場(chǎng)位于濰坊市濰城區(qū)的核心地區(qū)，北宮西街北側(cè)，安順路東側(cè)，臥龍街南側(cè)，清平路西側(cè)。
整個(gè)體育場(chǎng)為六層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，看臺(tái)共三層，看臺(tái)罩蓬為大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺(tái)罩蓬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
體育場(chǎng)看臺(tái)罩蓬平面呈橢圓形，屋蓋為四分之一圓弧形，長(zhǎng)軸263米，短軸240米，東西側(cè)設(shè)有落地拱形金屬拱形屋蓋，覆蓋整個(gè)東西兩側(cè)觀眾席，落地拱長(zhǎng)300米，最大進(jìn)深63.5米，落地拱高70米，看臺(tái)最高點(diǎn)標(biāo)高35.4m,金屬屋面高57米。看臺(tái)罩蓬面積約為20000平方米。全場(chǎng)可容納觀眾約45000人。見圖1
濰坊市體育中心—體育場(chǎng)效果圖
2、結(jié)構(gòu)概況
體育場(chǎng)看臺(tái)罩蓬結(jié)構(gòu)體系可分為縱，橫向結(jié)構(gòu)體系，縱向結(jié)構(gòu)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(wàn)/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(jié)構(gòu)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(shè)置斜撐，斜撐上點(diǎn)約在距梁柱節(jié)點(diǎn)5米處，下點(diǎn)位于柱腳處。縱向環(huán)梁為單根鋼管，剛接在剛架梁上，同時(shí)可作為鋼架梁的平面外支撐，保證剛架的側(cè)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(shè)置兩根鋼拉桿和一根斜撐，拉桿上節(jié)點(diǎn)在桁架的上弦節(jié)點(diǎn)，下拉點(diǎn)在剛架的前懸挑端4~6米處，斜撐上拉點(diǎn)位于近剛架內(nèi)側(cè)桁架上弦節(jié)點(diǎn)，下拉點(diǎn)在剛架的前懸挑端約15米處。連接節(jié)點(diǎn)均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管，節(jié)點(diǎn)均為相貫面焊接。該結(jié)構(gòu)由拱形桁架，懸挑剛架和環(huán)梁通過(guò)鋼拉桿和斜撐連接在一起，形成一個(gè)完整的自平衡體系，同時(shí)兩種結(jié)構(gòu)體系的相互作用，使兩者具有變形協(xié)調(diào)的關(guān)系，較好地控制了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。同時(shí)，簡(jiǎn)潔有序的幾何構(gòu)形同時(shí)取得了建筑美學(xué)效果。由于體育場(chǎng)看臺(tái)罩蓬的橫結(jié)構(gòu)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(gòu)件，在縱橫向有較大的剛度。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕盈，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少的特點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)使用年限與安全等級(jí)圖
按照相關(guān)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)年限為50年，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，建筑耐火等級(jí)為一級(jí)。看臺(tái)罩蓬鋼結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)提高為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。
3.2恒荷載與活荷載
恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重，屋面檁條，屋面板以及涂層和焊縫的質(zhì)量。其中結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由輔助計(jì)算的程序自動(dòng)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)采用半跨活荷載考慮其不利影響。
3.3 地震作用
抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防為乙類，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。勘察報(bào)告顯示該地區(qū)場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35S，上部看臺(tái)罩蓬鋼結(jié)構(gòu)阻尼比為0.2。
3.4 風(fēng)荷載
根據(jù)GB50009-2001 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版），本工程取50年一遇的基本風(fēng)壓W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度類別為B類。由于結(jié)構(gòu)為大跨度結(jié)構(gòu)，周邊基本敞開未封閉，其上下表面均受風(fēng)的作用，風(fēng)荷載分布較為復(fù)雜，通過(guò)比較，風(fēng)向角為0°，45°，60°，90°時(shí)風(fēng)的分布對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為不利。風(fēng)壓高度變化系數(shù)由程序自動(dòng)計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)取風(fēng)振系數(shù)為1.6。
3.5荷載工況組合
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組合考慮了正負(fù)30度溫差效應(yīng)，水平地震，各風(fēng)向角等工況，采用的荷載工況組合形式共計(jì)50多種，溫度效應(yīng)對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)影響較大，而現(xiàn)規(guī)范對(duì)溫差效應(yīng)無(wú)明確規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及參考相應(yīng)規(guī)范，承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合時(shí)，溫度效應(yīng)組合系數(shù)取1.2，考慮到最不利溫差與活荷載，地震，風(fēng)，雪等作用同時(shí)發(fā)生的可能性很小，與上述荷載組合時(shí)組合系數(shù)取0.6，正常使用狀態(tài)組合時(shí)組合系數(shù)取1.0恒載+1.0溫差效應(yīng)。對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，計(jì)算結(jié)構(gòu)位移取標(biāo)準(zhǔn)組合。
四、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算與設(shè)計(jì)
通過(guò)CAD為操作平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)中個(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，由計(jì)算確定的主要結(jié)構(gòu)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(jì)大學(xué)的3D3S9.0結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)看臺(tái)罩蓬鋼結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)件進(jìn)行了整體分析計(jì)算,其分析 結(jié)果如下：
大跨度屋蓋結(jié)構(gòu) 三維軸側(cè)圖
4.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性
表一 結(jié)構(gòu)自振周期
可以看出鋼罩蓬結(jié)構(gòu)的前三階振型以整體平動(dòng)和豎向振動(dòng)為主，第一振型為橫向平動(dòng)，周期為0.7968s,說(shuō)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(dòng)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的整體性能較好，第三振型為屋蓋彎曲變形振動(dòng)，彎曲變形振動(dòng)形式嚴(yán)格按照對(duì)稱布置，周期為0.6026s,其后頻譜較密集，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，局部振型不明顯。表明結(jié)構(gòu)的整體剛度大，剛度和質(zhì)量分布均勻。
4.2桿件受力
在最不利組合作用下，拱形管桁架弦桿最大壓力為7755KN，剛架梁的最大拉力為834.5 KN,剛架柱的最大壓力為809.9KN,剛架斜撐最大壓力為1555KN,桁架和剛架之間拉桿和斜撐最大壓力為1353KN,3709KN,中間環(huán)梁最大壓力為3430.2KN。
4.3正常使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形
結(jié)構(gòu)懸挑剛架部分跨度較大，在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的豎向位移，為控制結(jié)構(gòu)桿件豎向變形，根據(jù)GB50017-2003《
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相應(yīng)規(guī)定，取恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活荷載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度作為構(gòu)件的起拱值，經(jīng)過(guò)整體計(jì)算后，結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最大豎向變形設(shè)計(jì)值位移為125mm,為位計(jì)算跨度（52m米）的1/416(小于1/400),滿足GB50017-2003《
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。
4.4構(gòu)件承載力驗(yàn)算
經(jīng)整體穩(wěn)定計(jì)算分析表明，結(jié)構(gòu)主要由恒荷載，活荷載和風(fēng)荷載及地震作用控制,由于屋面和場(chǎng)地的起伏變化較大，剛架柱的長(zhǎng)短不一，地震力不單體現(xiàn)在剛架柱的水平向彎矩上，而且已經(jīng)影響到柱的軸力，其大小已經(jīng)不能忽略，因此在計(jì)算剛架柱時(shí)，需考慮工況下大小偏心受壓的影響。構(gòu)件應(yīng)力比見下表，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，對(duì)關(guān)鍵受力桿件，應(yīng)控制最大應(yīng)力比.將主要構(gòu)件應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)，考慮到拱形桁架及拉桿和斜撐體系的特別重要性及本工程結(jié)構(gòu)體系的特性，設(shè)計(jì)時(shí)將拱形桁架弦桿構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值的應(yīng)力比控制在0.80以內(nèi),拉桿和斜撐構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值的應(yīng)力比控制在0.70以內(nèi),70%以上構(gòu)件應(yīng)力比為0.3~0.8。
五、 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
5.1相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
本工程采用了圓鋼管直接相貫焊接的節(jié)點(diǎn)連接方法，從而避免了傳統(tǒng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行焊接或采用螺栓球節(jié)點(diǎn)的連接方法，從而降低了用鋼量。同時(shí)也使桿件直接傳力，提高了受力性能。這也使的鋼管結(jié)構(gòu)輕巧，美觀的特性能夠充分得以體現(xiàn)。由于節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)決定了整體結(jié)構(gòu)體系的承載性能，桿件之間的連接應(yīng)有良好的質(zhì)量和足夠的強(qiáng)度，為避免偏心鋼管桿件重心線應(yīng)盡可能地在節(jié)點(diǎn)處匯交于一點(diǎn)。本工程桿件間的連接方式主要有T形節(jié)點(diǎn)和K形節(jié)點(diǎn),其計(jì)算可按GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的承載力設(shè)計(jì)公式計(jì)算。
5.2支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
本工程根據(jù)受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的支座分為三種類型：
(1)拱形桁架采用剛支座，若采用雙鉸，拱腳處的彎矩在任何工況下都為零，拱基礎(chǔ)受力合理且較節(jié)約，同時(shí)可減小拱腳處的拱構(gòu)件截面，但通過(guò)穩(wěn)定分析表明無(wú)鉸拱的的臨界力明顯要高于雙鉸拱，即無(wú)鉸拱支座的穩(wěn)定性更好，故該工程拱腳采用剛接支座。
（2） 中間部分剛架柱才用剛接支座。由于中間部分剛架懸挑較大，使得支座處的轉(zhuǎn)角較大，為保證剛架不產(chǎn)生剛體位移，故采用剛接支座。安裝中考慮施工方面的要求，通過(guò)在混泥土柱中預(yù)埋鋼管，鋼柱與預(yù)埋鋼管焊接的連接方式。見圖5
(3) 端部?jī)砷瘎偧懿捎脻L軸支座，端部?jī)砷瘎偧苡捎阡撝鶠槎讨驗(yàn)槎讨旧硪惺茌S力和因?yàn)樽冃魏投樾?yīng)產(chǎn)生的彎矩，所以對(duì)短柱的要求很高，若采用剛接，短柱部位彎矩較大（達(dá)到20000KN.M）,桿件設(shè)計(jì)極不合理。故最總采用滾軸支座（只有Z向約束），通過(guò)釋放來(lái)降低對(duì)短柱的要求。見圖6
以上節(jié)點(diǎn)計(jì)算與構(gòu)造均按GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。
六、結(jié) 語(yǔ)
結(jié)構(gòu)布置受建筑和藝術(shù)的限制，考慮多方面因素應(yīng)使結(jié)構(gòu)盡量布置合理，本文體育場(chǎng)看臺(tái)罩蓬采用鋼拱形橋的技術(shù)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）、通過(guò)鋼拉桿和斜撐，為下部結(jié)構(gòu)提供支撐，可以有效地將懸挑剛架部分荷載傳給拱形桁架體系，從而有效的控制了懸挑剛架的彎矩。2）、調(diào)節(jié)了鋼拱形橋的內(nèi)力構(gòu)成，使拱的內(nèi)力主要有軸力構(gòu)成，材料利用充分，增強(qiáng)了拱的穩(wěn)定性能，并使拱身的截面變小。3）、結(jié)構(gòu)從單向傳力變?yōu)殡p向傳力，不僅較好的改善了長(zhǎng)懸臂剛架的受力性能，而且增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。4）、營(yíng)造了較大的無(wú)柱空間，實(shí)現(xiàn)了建筑效果，結(jié)構(gòu)整體上不僅流暢，美觀，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。
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作者簡(jiǎn)介：於國(guó)飛（1978-），浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司設(shè)計(jì)院，設(shè)計(jì)師
聯(lián)系地址：杭州市濱江區(qū)長(zhǎng)河街道（310052）
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