某体育馆结构性能分析研究

史军鹏

(山西国建工程设计有限公司，山西太原 030013)

1 工程概况

该体育馆屋盖采用两个不同半径球面双层正交正放的空间网格结构，组合投影为椭圆形，平面投影长轴93 m，短轴88.8 m，厚4.0 m，悬挑部分端部厚2.0 m，屋盖通过下弦节点支承于下部钢管混凝土柱和柱头环梁上。体育馆鸟瞰照片如图1所示。结构布置如图2所示。

体育馆的抗震设防类别为一类，结构设计使用年限100年，建筑结构安全等级一级，抗震设防烈度7度，基本地震加速度0.1g，设计地震分组第一组，场地类别三类，场地特征周期Tg=0.45 s。

2 结构计算模型力学性能对比分析

由于软件的限制，目前多将结构上、下部分分开建模简化分析计算，上部网壳单独设计，但分别建模的简化方法可能造成网壳或下部结构设计的不安全，本文针对上下部结构整体建模和上部屋盖单独建模两种模型进行对比分析。

模型一:上部钢屋盖结构，采用铰接杆系计算模型，支座下部连接方式为固定铰，应用3D3S软件建模，SAP2000软件分析计算(见图3)。

模型二:上部钢屋盖结构与下部混凝土结构共同工作的整体模型，网壳下弦节点与下部混凝土柱铰接连接，应用SAP2000软件进行计算分析，以此计入下部结构对屋盖钢结构设计的影响(见图4)。

1)模态分析。

结构前9阶模态周期对比如表1所示。

表1 前9阶模态周期对比 s

两种模型自振周期比较见图5。

SAP2000两种模型前4阶振型对比见图6。

通过以上分析结果可得出以下结论:

a.两者周期变化基本一致，用3D3S软件和SAP2000软件进行计算的模型一两个结果基本吻合，但是模型二周期均比模型一大，第一周期增大8.65%，第二周期增大27.7%，可见加上下部混凝土结构后，结构整体刚度有所减弱;b.从两种模型前4阶振型图对比看出，两种模型屋盖部分振动形式基本一致。

2)地震作用分析。

按规范规定选取反应谱曲线用振型分解反应谱法进行计算，采用CQC方法进行组合。根据GB 50011-2010建筑抗震设计规范，计算中地震影响系数最大值amax=0.08，场地特征周期 Tg=0.45 s，可得到水平地震影响系数曲线。地震工况下网壳节点最大位移、杆件最大应力比、最大支座反力对比见表2～表4。

表2 地震工况下网壳节点最大位移对比表 mm

表3 地震工况下网壳杆件最大应力比对比表

表4 地震工况下最大支座反力对比表 kN

通过以上分析结果可得出以下结论:

a.在考虑下部支承结构共同工作后，地震工况下网壳节点最大竖直位移为模型一的1.63倍，最大水平位移为模型一的2.16倍;b.在考虑下部支承结构共同工作后，网壳上弦杆应力值增大49%，腹杆应力增大33%，下弦杆应力增大34%;c.在考虑下部支承结构共同工作后，网壳支座水平反力增大34%，竖直反力增大15%;d.由以上结论可知:下部结构的存在使网壳屋盖结构支承刚度减弱，与模型一的支承刚度差别较大，从而使结构位移有所增大、杆件内力增大、支座动反力增大，所以设计时应以考虑下部结构共同工作为主。

3)静力分析。

对网壳节点最大位移、网壳节点最大支座反力、网壳杆件的最大内力三类最重要的静力响应进行对比分析，结果见表5～表7。

表5 网壳节点最大位移对比表 mm

表6 网壳节点最大支座反力对比表 kN

表7 网壳杆件内力最大值对比表 kN

通过以上分析结果可得出以下结论，见表8。

表8 静力分析结果

a.在不同荷载组合工况下，网壳节点最大竖向及水平位移出现在不同位置，两个计算模型在同一荷载组合工况下，最大位移出现的位置也不一致;b.在考虑下部结构共同工作后，网壳节点最大水平位移和竖向位移都有所增大。在荷载组合“恒+活、恒+活+正(负)风、恒+活+正温”工况下，最大水平位移模型二约为模型一的3倍，最大竖向位移模型二约为模型一的1.6倍;在荷载组合“恒+活+负温”工况下，最大水平位移和竖向位移增幅都较小;c.在考虑下部结构共同工作后，水平向总反力值基本不变，约为0 kN，竖向总反力值不变。但具体到单个支座而言，水平向反力和竖向反力的最大值均增大。在荷载组合“恒+活、恒+活+正(负)风”工况下，竖向反力最大值增值约为14%;在荷载组合“恒+活+正温”工况下，增幅很小;在荷载组合“恒+活+负温”工况下，增幅40%;d.在考虑下部结构共同工作后，杆件内力增幅约为18%;e.由以上分析结果可知，考虑下部结构共同工作后，屋盖结构是偏于不安全的，所以在条件允许的情况下应进行整体分析。

3 结语

本文对网壳结构整体模型和单独上部网壳结构两种模型进行了对比分析，可以得出以下结论:1)从模态分析，采用整体结构的模型与单独采用上部网壳结构的模型相比，第一周期增大8.65%，第二周期增大27.7%，说明采用整体结构的模型支承刚度减弱，与模型一的支承刚度差别较大;2)从网壳力学性能分析，由于下部结构的存在使网壳屋盖结构支承刚度减弱，从而使结构位移有所增大、杆件内力增大、支座动反力增大，所以考虑下部结构共同工作后，屋盖结构是偏于不安全的，所以在条件允许的情况下应进行整体分析。

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