某体育文化中心大跨屋盖结构设计

曹 灵 泳

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

上海某区体育文化活动中心一期工程，建设内容包括体育馆、残联用房及停车库等配套服务设施。建成后总建筑面积为30 880 m2，其中地上建筑面积18 880 m2，地下建筑面积12 000 m2。本文涉及其中体育馆的屋盖结构设计。钢屋盖长约79.3 m，宽约77.1 m，采用沿斜向正交布置的交叉张弦桁架结构，张弦桁架最大跨度为71.276 m；所有屋盖钢结构均通过抗震球形钢支座支承于混凝土柱顶上，所有支座均为固定铰支座。结构最高点为25.606 m。结构的设计使用年限为50年，安全等级为二级，耐火等级为一级。建筑效果图如图1所示。

2 结构选型与结构布置

根据屋面的建筑形态、下部结构可以提供的支承条件以及建筑要求的效果，并综合考虑各结构体系适用性，屋顶按区域采用不同的结构形式，如图2所示。

1)标准柱跨区域，采用钢框架结构，与大跨连接处的钢梁采用铰接，释放大跨桁架变形引起的弯矩，见图3。

2)主场馆大跨区域：建筑要求结构主要构件沿场馆的45°斜向正交布置，以契合建筑效果，综合考虑跨度、经济性等因素，大跨区域采用双向正交布置的张弦桁架结构。张弦桁架总高度5 m。上弦采用双向正交布置的桁架结构，桁架采用钢管焊接而成，总高度1.8 m。下弦采用双向正交布置的索系，索系下凸形成一个凸透镜面，在索系和上部桁架构件的节点位置布置竖向撑杆(最高处3.2 m)，从而构成双向正交张弦桁架，能够保证上弦和下弦的整体稳定[1]。桁架与支座钢柱连接，支座钢柱通过抗震球型铰支座与下部混凝土结构连接。

竖向荷载下，上部桁架结构受压受弯，下部索系受拉，形成桁架机制，同时撑杆受压起到了对上部的反拱作用，改善了结构的竖向刚度和承载力。周边通过抗震球型铰支座支承于下部混凝土柱顶，竖向力可以直接传递给下部结构。水平力的传递，由于上部桁架是斜向正交布置，类似于满堂支撑形式，同时还在主桁架压弯构件上弦杆平面内布置了封闭的交叉支撑，面内刚度好，故水平力通过桁架结构直接传递给抗震球型铰支座，进而传递给下部混凝土结构。

本文主要讨论大跨区域的张弦桁架的设计。

主要钢材采用Q345B，柔性支撑采用Q235B,桁架钢管主要截面尺寸为φ89/4～φ325/14，拉索为φ5×109的PE索，撑杆截面为φ159/8。

结构布置如图4,图5所示。

3 结构设计与分析

3.1 结构计算模型

在结构设计软件3D3S中建立了整个屋盖和下部混凝土框架结构的整体模型[2]，能够准确模拟屋盖的边界条件,如图6所示。

对于张弦桁架的上弦压弯构件：弦杆采用梁单元模拟，考虑轴力的作用，按照压弯或者拉弯构件验算；腹杆采用两端铰接的梁单元模拟，按照轴拉或者轴压构件验算；对于张弦桁架的撑杆，腹杆采用两端铰接的梁单元模拟，按照轴压构件验算；对于张弦桁架的拉索及屋面交叉支撑采用两端铰接的梁单元模拟，设置为只拉单元[3]，按照轴拉构件验算；对于周边的支座钢柱，采用一端铰接的梁单元模拟，铰接端模拟抗震球型铰支座，考虑轴力的作用，按照压弯或者拉弯构件验算；屋面荷载和吊挂荷载通过在压弯构件上弦和下弦平面上设置质量和刚度均为零的虚面来导荷载；下部混凝土结构按照真实的结构布置和荷载输入。

3.2 荷载取值及设计控制指标

3.2.1荷载取值

屋面荷载通过虚面导至四周的结构杆件上。

1)结构自重：由程序自动计算，并将钢材容重放大1.1倍，以考虑节点增大系数。

2)屋面恒荷载：按实际取值，含吊顶，灯具，金属屋面荷载，马道等，大部分区域取为1.8 kN/m2，局部区域取为2.8 kN/m2。

3)雪荷载：取100年重现期的基本雪压0.25 kN/m2，按全跨积雪的均布分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布按最不利情况考虑。雪荷载标准值取为0.5 kN/m2。

4)活荷载：大部分区域0.5 kN/m2，局部区域1.0 kN/m2(含马道检修活载)。雪荷载与活荷载取大值进行荷载组合。

5)风荷载：取50年一遇的基本风压0.55 kN/m2，屋面的风荷载体型系数取为-0.60，地面粗糙度类型为B类。

6)温度作用：月平均气温：最高36 ℃，最低气温-4 ℃钢结构合龙温度暂为10 ℃～25 ℃，最终考虑升温25 ℃，降温25 ℃。

7)地震作用：本工程体育馆考虑兼有演出功能，按文化娱乐建筑取抗震设防类别为重点设防，按本地区设防烈度7度计算地震作用，按8度采取抗震措施。设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.10g，建筑场地类别为Ⅳ类，场地特征周期Tg=0.90 s。考虑水平和竖向地震的作用。

3.2.2钢结构设计主要控制指标

竖向挠度：跨中挠度限值[L/300]，L为屋盖跨度；悬挑端挠度限值[L/150]，L为悬臂长度；

杆件应力比：不大于0.9f(f为钢材的强度设计值)；拉索内力小于其破断荷载的1/2(安全系数不小于2)。

3.3 典型工况下的静力分析

初始状态下(拉索张拉完毕，屋面荷载和活载未施加)拉索的内力应使得张弦桁架在各种工况下的挠度和承载力满足要求，且在风吸作用下拉索不发生松弛。经过试算调整，拉索内力如图7所示。初始状态下，主桁架压弯构件上下弦的内力都较小，拉索内力较为均匀。

在竖向荷载作用下，主桁架压弯构件的上弦和下弦以承受的轴力为主，承受的弯矩很小，可见主桁架将受弯的梁内的复杂应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态。力流传递清晰直观，压弯构件上下弦受力较为均匀，如图8,图9所示。

拉索最大轴力为1 300 kN，远小于其破断荷载3 360 kN；风吸作用下，拉索最小轴力为497 kN，拉索始终不松弛，如图10所示。

杆件应力比如表1所示。

从上述内容可以看出，在各荷载组合工况和初始状态下，钢屋盖的强度应力、稳定应力均小于0.9，拉索内力安全系数大于2.0，满足要求。

表1 钢屋盖各部位主要杆件应力比

3.4 典型工况下的变形分析

考察大跨屋盖中心点在各工况下的挠度。

1)非地震组合工况下，中心点挠度如表2所示。

表2 钢屋盖结构变形分析结果 mm

表2及图11说明：结构跨中的最大挠跨比为1/467，满足规范关于结构限值[1/300]的要求。

2)地震组合工况下，中心点挠度如表3所示。

表3 屋盖小震反应谱分析变形结果 mm

表3及图12说明：钢屋盖在重力和地震组合下的结构挠跨比为1/486，满足规范[4]第10.2.12条关于大跨度屋盖结构限值的要求。

3.5 屋盖的极限承载力分析

采用ANSYS软件[5]弹塑性极限承载力计算分析。材料采用双线性随动强化模型，稳定分析采用弧长法(选取桁架的跨中节点进行荷载—位移曲线绘制)。

本结构体系进行弹塑性极限承载力分析时考虑初始缺陷(L/300)的影响[6]，初始缺陷的分布形式取为第一阶屈曲模态。

分析结果如图13所示。

由以上荷载—位移曲线可以看出：

1)考虑材料非线性和初始缺陷后，临界荷载因子约为4.0，满足规范要求的2.0[6]。说明当结构的荷载在施加到4.0倍时结构无法继续承载而发生破坏，结构弹塑性承载力因子满足要求。2)对该工程而言，结构最终是由于杆件较多进入塑性而无法继续承载，属于强度破坏，此时，结构并未发生整体失稳，表明结构整体稳定性较好。3)结构的竖向荷载位移曲线均较接近直线，说明结构受到非线性影响并不明显，结构的刚度并未发生显著折减。

4 结语

本工程根据建筑效果的需求，在大跨屋盖区域选用双向正交布置的张弦桁架结构；通过建立屋盖与下部混凝土结构的整体模型，分析了各工况的结构内力和变形，计算结果表明屋盖结构受力清晰，各杆件应力比小于0.9，拉索内力安全系数大于2.0，变形满足规范要求；利用ANSYS有限元软件对屋盖结构进行了极限承载力分析，临界荷载因子满足规范要求，结果表明屋盖结构具有良好的稳定性。