某游泳馆、网球馆项目热身池部分钢屋盖结构设计研究

■中国航空规划设计研究总院有限公司 李朝来 贾雨萌

1.工程概况

某游泳馆、网球馆建筑主体由游泳馆、网球馆组成，工程总建筑面积24990m2。该项目设计理念为展翅，用几条流畅的曲线将网球馆与游泳馆相连接。建筑体量上，采用了两头高、中间低的设计体量，既保证了游泳馆和网球馆的比赛高度要求，同时又压低了中心大厅、热身池的建筑高度，达到了建筑节能环保的设计要求。建筑效果图见图1。

该建筑物东西长度约270m、南北宽度约80m，通过设置永久性结构缝，将其分为3个独立的抗震单元。自西向东分别为：网球馆、游泳馆热身池、游泳馆比赛池，各单体长度为80m ～90m。本文主要介绍热身池部分钢屋盖结构设计。

游泳馆热身池位于建筑中部，地上局部2层，建筑最高点为17.150m。下部主体采用钢筋混凝土框架结构，屋面为钢结构轻质屋面。热身池钢结构屋面建筑造型复杂，为一个扭转的蝴蝶结，整个屋面呈流线型，屋盖最大跨度41.2m，北侧最大悬挑长度14.8m。热身池单元建筑平面图和剖面图分别见图2、图3。

2.荷载作用

主体结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类，结构重要性系数为1.0。

图2 热身池单元建筑平面图

图3 热身池单元建筑剖面图

2.1 恒载与活载

屋面恒荷载和活荷载标准值，如表1所示。考虑到钢结构连接节点以及焊缝重量，自重系数取1.05。基本雪压取100年重现期雪压为0.4kN/m2，由于屋面为不规则扭转平面，考虑局部凹屋面范围内积雪荷载较大，积雪分布系数μr取2.0，此部分活荷载取雪荷载标准值0.4x2=0.8kN/m2。屋面活荷载与雪荷载不同时发生，两者取大值[1]。

表1 屋盖恒荷载和活荷载标准值

2.2 风荷载

根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，该工程主体结构取50年一遇基本风压0.6kN/m2，屋面钢结构取100年一遇基本风压0.7kN/m2，场地粗糙度B 类。由于整个结构形体的复杂性，考虑到轻型屋盖本身对风作用力比较敏感，风荷载是影响结构的主要因素，其取值的准确性直接关系结构的可靠度和经济合理性，因此，对该工程进行了风洞试验。

风洞试验报告给出了八个代表性不利风向角的等效静力风压系数，分别为0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度和315度，风向角定义见图4。风洞试验报告提供的等效静力风压系数，相当于规范中风振系数βz、风荷载体型系数μs、风压高度系数μz 三个系数的乘积，再乘以设计所用基本风压即为风荷载标准值。试验结果表明，绝大多数情况下热身池单元屋面板的风压为负值，说明屋盖结构在风荷载作用下以上吸效应为主，尤其悬挑部分风吸荷载较大（悬挑部分为上下表面叠加的结果）；仅在90度和270度风向角情况下，处于建筑中部下凹的屋面板存在下压风的情况，且下压风系数与上吸风系数相比较小。设计选取0度、90度、180度、270度四个最不利风向角的风荷载分别与其他荷载进行组合计算。

图4 风洞试验风向角定义

2.3 温度作用

当地50年重现期的月平均最高气温为30℃，最低气温为-25℃。由当地气温统计数据及施工进度安排，合拢温度取值5～10℃，升温30-5=25℃，降温10-(-25)=35℃。

2.4 地震作用

建筑抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.40s，阻尼比取0.04。此外，该工程虽然是7度区丙类设防，但考虑到屋面存在大跨度、大悬挑及平面不规则等特点，对结构进行竖向地震作用计算。按照规范要求，采用竖向振型分解反应谱方法，竖向地震影响系数取水平地震影响系数的65%，特征周期按设计第一组采用[2]。

3.屋盖结构形式

3.1 结构选型

该工程存在平面不规则、空间曲面造型及不规则柱网支承等特点。从屋盖建筑造型来看，桁架结构和网架结构均适用于奇特结构外形的建筑设计，但桁架结构造型更加灵活，尤其对于不规则曲线形状，比网架结构更有优势，结构外观简洁，纵横分明，具有流畅的视觉效果[3]-[4]。根据该工程的建筑尺寸和柱网支承条件，以及建筑师希望屋顶具有的简洁室内效果，最终北侧大跨空间及大悬挑屋盖采用平面桁架结构体系，南侧柱距小于20m 的屋盖部分采用普通H 型钢梁。主桁架沿短跨方向布置，与悬挑桁架组成连续桁架，作为屋盖的主要受力构件；次桁架与主桁架正交布置，可以有效减小主桁架弦杆面外计算长度，承担主桁架平面外的水平荷载，加强结构的整体性[5]。

3.2 桁架形式

桁架上弦采用热轧H 型钢，桁架下弦及腹杆采用热轧无缝钢管。圆管截面的管桁架具有节点构造简单、刚度大、几何特征好、施工简单、有利于防锈与维护等优点[6]。采用杆件直接焊接的管节点，同一榀的上、下弦杆（主管）贯通，腹杆端部进行相贯线加工后直接焊接在主管上，由于腹杆端部约束弯矩不大，计算分析时假设所有的腹杆均为铰接，为二力杆，各杆件的中心线在节点处交于一点。

主桁架高度2.5m，一端为上下弦支座连接，另一端与悬挑桁架组成连续桁架，于柱顶下弦支撑。悬挑桁架为变截面桁架，端部高度根据建筑要求取1.5m，桁架形式见图5。次桁架根据主桁架分格间距8.8m 布置一道，桁架高度随主桁架高度。

3.3 设置支撑

根据结构的振型分析发现，结构的第一振型X 向平动变形主要集中在一榀次桁架处，说明结构刚度分布不均、屋盖整体性较弱。为改善结构的振型，在热身池两侧各布置一道水平支撑。结构前两阶振型为平动，第三阶振型为扭转。经对比发现，加入支撑后屋盖的刚度和整体性得到提高，尤其是第一振型X 向刚度明显增大，屋盖整体变形均匀，通过支撑使水平力能尽快更均匀地传递到结构支座，结构受力得到改善。

最终，屋盖桁架结构体系由10榀主桁架、5榀次桁架和1榀封边桁架组成，并增加2道水平支撑，除了布置次桁架的位置，主桁架上弦节点用钢梁连接，其可作为上弦的侧向固定点，减小上弦杆平面外长细比，同时兼作屋面主檩条。屋盖平面布置图，见图6。

4.计算模型及分析结果

4.1 结构计算模型

该工程应用MIDAS GEN 软件建立屋盖钢结构与下部混凝土结构整体计算模型，进行整体结构上下部共同工作计算分析，以此计入下部结构对屋盖钢结构设计的影响，同时可准确计算屋盖钢结构对下部混凝土主体结构的内力影响。屋盖桁架弦杆和钢梁用梁单元模拟，桁架腹杆用桁架单元模拟，由于屋面为轻型屋面，不考虑其对桁架上弦和钢梁的约束作用，计算模型中用虚面代替，仅用于施加荷载。柱顶支座为铰接，横向布置的钢次梁两端铰接。

4.2 屋盖强度计算

根据规范，对多种荷载进行组合计算，钢结构构件应力比控制在0.85以内。计算结果显示，小震作用对本钢结构工程不起控制作用，但为保证工程抗震安全，大跨度钢结构的支座及与之相连的桁架杆件等关键构件，设计时考虑中震弹性补充计算，应力比控制在0.9以内。由于支座一端采用上下弦连接的“刚接”形式以及另一端与悬挑桁架连续布置，因此，在支座处会出现负弯矩，端部附近弦杆轴力会发生变号，设计中应多加注意。

4.3 屋盖刚度计算

钢结构屋盖在使用荷载（恒+活） 组合作用下的挠度限值为1/400，在重力荷载代表值和多遇竖向地震作用标准值下的组合挠度限值为1/250。计算结果显示，钢屋盖的竖向位移变形由使用荷载控制 （图7），最大竖向变形位于屋盖中间位置，变形值为59mm，该跨跨度39.5m，竖向挠度为1/669（<1/400）；北侧悬挑桁架最大竖向位移39mm，悬挑长度12.7m，竖向挠度为1/326 （<1/200），均满足规范要求。

图5 典型主桁架形式示意图

图6 屋盖平面布置图

图7 竖向位移变形图

4.4 振型分析

对结构进行动力特性分析，由于钢结构屋盖为大跨度轻型屋盖，取前100阶振型进行分析，以保证振型参与质量达到90%以上。由结构整体三维模型的反应谱分析得出，结构前两阶振型为平动，第三阶振型为扭转，单榀桁架未出现平面外的局部振型，周期比小于0.9。

4.5 单榀桁架验算

图8 桁架节点承载力加强措施

除了整体分析模型外，还对大跨度桁架结构进行单榀补充计算，以确保其承载力和刚度。单榀桁架验算结果显示，最大应力比均在0.85以内；在使用荷载组合作用下，单榀桁架的竖向变形值满足规范要求，说明主桁架具有足够的承载力和刚度，确保即使在极端灾难情况下次桁架部分失效，结构也不致于发生连续失稳和倒塌。根据单榀模型和整体模型计算结果对比分析可知，由于缺少空间协同作用，单榀桁架的刚度较整体模型减小，变形增大；此外，桁架离屋盖两侧越近，竖向变形较整体模型增大越显著，结合使用荷载作用下屋盖的整体竖向变形，说明竖向荷载根据屋盖的竖向刚度沿两个方向传递，以短跨方向主桁架受力为主，次桁架除了承担主桁架平面外的水平荷载外，在屋盖两端范围内还分担部分竖向荷载，增大屋盖的整体刚度。

4.6 桁架节点承载力验算

直接焊接钢管结构中，主管和支管的轴心内力设计值不应超过杆件的自身承载力设计值，同时，支管的轴心内力设计值亦不应超过节点承载力设计值。计算结果显示：由于主桁架支座附近剪力较大，相应斜腹杆轴力较大，存在部分K 形节点承载力不足的情况。此外，在靠近次桁架端部位置，主次桁架相交下弦存在X 形节点承载力不足的情况。对于节点承载力不足的节点，采用外贴瓦形板使弦杆壁局部加厚，具体做法见图8。

5.结论

本文介绍了热身池大跨度钢屋盖的设计内容，包括荷载作用、结构选型及布置、计算模型和结果分析，并通过设置水平支撑提高屋盖的刚度和整体性，改善结构振型，获得良好的结构性能。研究结果表明：该工程基于现行设计规范及一系列针对性特殊要求，强度、刚度等设计指标均满足要求，并具有良好的技术经济性，结构设计合理；设置水平支撑可以提高屋盖的刚度和整体性，是改善结构振型的一种有效手段；轻型屋盖对风作用力比较敏感，当风吸效应较大时，桁架杆件受力会发生变号，支座产生拉力，设计中应多加注意。