柳州某中学迁建项目礼堂及体育馆网架对比及优选设计

韦浩

（广东省建筑设计研究院 广东广州 510010）

1 结构特点

柳州市某中学迁建项目位于柳州市柳东新区官塘片区，规划地块总用地面积为232009.22m2，学生总数5000人，用地西侧为创业路，北侧为纬二路，南侧为城市规划路。包括教学楼、实验楼、办公楼、图书馆、礼堂、艺术楼、体育馆、学生公寓、教师宿舍等，其中礼堂建筑面积为5066m2，楼层数为1层，高17.5m；体育馆建筑面积为5012，楼层是为1层，局部2层，高15.5m。

结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级。工程抗震设防烈度为6°，基本地震加速读为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，水平地震影响系数最大值为0.04，特征周期为0.35s，10年一遇基本风压为0.30kN/m2，50年一遇基本风压为0.50kN/m2，地面粗糙度为B类。本文主要讨论礼堂及体育馆，其效果图如图1～2。

图1 礼堂效果图

图2 体育馆效果图

2 网架选型与布置

礼堂网架平面尺寸为59m×36.4m，长宽比为1.62，网格尺寸为3m×3m，体育馆网架平面尺寸为64m×43.3m，长宽比为1.48，网格尺寸为3.7m×4m，均采用周边支承的四角锥平板网架、热轧无缝钢管与电焊钢管杆件及螺栓球节点；由于建筑条件原因，支座置于上弦节点处，在网架四周每两个网格设置一个支座；屋面采用轻型钢结构屋面体系，即采用压型钢板加檩条的体系；网架平面布置如图3～4。

图3 礼堂网架布置

图4 体育馆网架布置

网架荷载：上弦恒载：0.70kN/m2；上弦活载：0.70kN/m2；基本风压：0.3KN/m；温度荷载：升温或降温30°；计算机程序自动形成网架自重。网架选用钢管规格分别为：礼堂 Ø42.5×3.5、Ø60×3.5、Ø114×4，Ø165×6，Ø180×12，体育馆 Ø60×3.5、Ø88×4、Ø114×4，Ø159×6，Ø180×8 等类型。

3 礼堂计算分析及方案优选

本工程采用同济大学有限元分析软件3D3S建立计算分析模型，平面布置见图3及图4，三维模型如图5。

图5 礼堂网架三维空间模型简图

对网架结构在各个荷载工况计算分析，并取所有荷载组合的包络值比较分析，计算中构件钢结构材料最大应力比小于0.85。不同网架高度整体计算对比如表1。

表1 礼堂网架主要计算结果对比

由表1看出，礼堂网架由于平面长宽比较大，整体受力更趋向于宽度方向单向受力；高度由1.8m逐渐增加至3m，最大应力比控制在0.85以内，最小为0.836，满足材料强度要求，同时最大挠度为100mm，小于规范限值的145mm，亦满足要求；

结构显示出了不同的刚度，从结构自振周期和最大节点位移体现出来，网架高度为3.0m时，周期与最大节点位移均为最小，故刚度最大，1.8m和2.4m周期与最大节点位移则较为接近，故刚度亦相当；支座反力则随着网架高度的增加而逐渐增大；而在用钢量上，高度为2.4m时，用钢量最低；

由此得出，对于礼堂网架，网架高度为2.4m时为最优方案。

4 体育馆计算分析及方案优选

平面布置见图3及图4，三维模型简图类同图5，类似地，对网架结构在各个荷载工况计算分析的整体计算结果如表2。

表2 体育馆网架主要计算结果对比

由表2看出，体育馆网架由于平面长宽相对较小，整体受力更趋向于双向受力；高度由1.8m逐渐增加至3m，最大应力比控制在0.85以内，最小为0.825，满足材料强度要求，同时最大挠度为153mm，小于规范限值的173mm，亦满足要求；

结构显示出随着网架高度逐渐增大，结构自振周期和最大节点位移均逐渐减小，结构刚度亦随之增大，网架高度为3.0m时，周期与最大节点位移均为最小，故刚度最大；支座反力则随着网架高度的增加而逐渐较小，这是由于网架更趋于双向受力，结构刚度变得更刚的时候，周边支承的各个支座受力更趋于均衡；而在用钢量上，高度为1.8m时用钢量最大，高度为2.4m与3.0m时的用钢量相当；

由此得出，对于礼堂网架，在满足建筑要求的情况下，网架高度为3.0m时刚度最大，而用钢量也相对较小，故为最优方案。

5 礼堂与体育馆网架结果对比

两个网架在网架高度不同的情况下，其结果之间的对比，如图6～9。

图6 周期-网架高度曲线

图7 最大支座反力-网架高度曲线

图8 挠度-网架高度曲线

图9 每平米含钢量-网架高度曲线

由图6～9看出，相同的网架高度，由于体育馆网架的跨度较大，故其周期和挠度均较大，但由于平面布置的不同，体育馆网架更趋于双向受力，其受力状态更加合理，故其每平米用钢量均小于礼堂，故在网架平面选型上，为达到更经济更合理的受力模式，尽量采用双向受力的平板网架。

6 结论

（1）采用空间稳定性比较好的四角锥网架，其结构整体刚度大，当荷载条件不变，改变不同的网架高度，可以直接的改变网架的刚度及用钢量，又不会影响到下部结构的受力，对施工也没有影响，通过不同方案的分析选择合适的方案。

（2）两个不同平面尺寸及布置的网架，表现出不同力学性能及经济指标，周边支承较为均匀的双向受力体系更合理。

（3）对于中大跨度钢结构的设计方案的选择，需要多方比较衡量，综合考虑既满足建筑要求，结构安全，又经济合理的方案。

[1]《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）.中国建筑工业出版社，2011.

[2]郑良知，东华挺，丁鼎春，方锦雷.体育馆圆形网架结构的优化设计.第十一届全国工程建设计算机运用学术会议论文集，2002.

[3]陈国平，张代全，李可.某小型体育馆钢网架结构优化设计.科技信息，2010.

[4]沈祖炎，等.钢管结构极限承载力分析的力学模型.同济大学学报，1988.