月牙形大跨度钢罩棚结构设计

高斌斌，李元，夏尧

（中机第一设计研究院有限公司，合肥230601）

1 工程概况

某县级体育中心，建筑面积约30 000 m2，固定座位数约1.5 万个，分为西侧看台与东侧服务配套用房。体育场效果图如图1 所示。西侧混凝土看台上方设置钢罩棚。钢罩棚采用月牙形，东西向长220 m，南北向宽52 m，结构最大高度50 m，最大悬挑长度约18 m。钢罩棚三维轴测图如图2 所示。

图1 体育场效果图

图2 钢罩棚三维轴测图

钢罩棚主要由前拱桁架、后拱桁架及屋面径向次拱桁架组成，顶部三角形镂空杆件按装饰构件考虑，非主受力构件。环向后拱桁架支承于混凝土柱，前拱桁架支座采用铸钢铰支座节点，埋入拱脚混凝土基础。

2 结构设计参数及荷载

建筑结构安全等级为一级，当地抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速为0.1g。由于该建筑抗震设防类别为重点类，因此地震作用计算采用7 度0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅲ类，Tg=0.55 s，多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.08[1]。钢结构阻尼比取0.02，混凝土部分阻尼比取0.05。

钢罩棚荷载包括结构自重、吊挂荷载、活荷载、地震作用、温度影响、裹冰荷载、风荷载及支座位移，结构自重由计算软件自动统计，其余荷载按荷载规划和实际情况考虑[2,3]。体育场馆内屋面风荷载，通常为控制荷载，应当引起足够的重视[4]。通长可采取数值模拟或风洞试验来确定风荷载取值。本工程罩棚荷载取值，按类似工程的风场数值模拟结果取值。迎风面风压系数+1.3，背风面风压系数-1.3，屋顶风吸系数-1.3，屋顶风压系数+0.5；组合值系数取0.6，风振系数取2。温度荷载根据规范取值，当地年最高温度37 ℃，最低温度-8 ℃。最大温差45 ℃，设计合龙温度按15 ℃考虑。

3 设计指标

非抗震组合和常遇地震组合，重要杆件应力比不大于0.8，一般杆件不大于0.85。中震不屈服组合，杆件应力比≤1.0（不考虑承载力调整系数）。屋盖关键构件压杆长细比≤120。一般压杆长细比≤180，屋盖拉杆长细比≤200。荷载与活载组合、恒载与风载组合下屋盖挠度≤L/250，主拱挠度≤L/400（L为跨度）。

4 静力分析

利用Midas Gen 进行整体结构弹性计算分析，空间桁架结构采用桁架单元建模，拱脚边界条件为铰接，混凝土柱顶的径向桁架支点为铰接。尾部V 形拉杆与混凝土牛腿亦为铰接。

钢结构罩棚在1.0 恒载+1.0 活载作用下的最大变形出现在顶部装饰结构两侧，最大竖向变形Midas 计算为-58.93 mm，故挠度为1/594＜1/250，利用3D3S 软件计算，竖向变形为-56.06mm，挠度为1/624＜1/250；径向桁架最大变形出现在其悬挑端部位置，最大竖向变形Midas Gen 计算为-52.33 mm，挠度为1/357＜1/125；前拱桁架最大变形出现在跨中区域，最大竖向变形Midas Gen 计算为-52.33 mm，挠度为1/4170＜1/250，满足规范要求。考虑结构外观及后期维护系统可靠性，体育场罩棚安装施工时，悬挑桁架应预起拱，桁架端部起拱量为L1/300（L1为桁架悬挑长度）。

桁架弦杆最大应力比Midas Gen 为0.77≤0.80，桁架腹杆最大应力比Midas Gen 为0.82≤0.85，尾部V 形构件最大应力比Midas Gen 为0.77≤0.80，均满足应力比控制要求。

钢结构罩棚在1.0 恒载+1.0 风压组合作用下最大变形出现在径向悬挑桁架端部，最大竖向变形为-61.04 mm（挠度约为1/306＜1/250）；1.0 恒+1.0 风吸组合作用下最大竖向负变形出现在顶部装饰结构两侧，变形量为-67.60 mm，最大竖向正变形出现在悬挑端部位置，变形量为+5.70 mm。考虑温度作用，1.0 恒+1.0 升温组合作用下最大竖向负变形出现在顶部装饰结构两侧，变形量为-32.41 mm，最大竖向正变形出现在前拱桁架柱脚区域，变形量为+34.74 mm；在1.0 恒+1.0 降温组合作用下，最大变形出现在顶部装饰结构两侧，最大竖向变形为-89.19 mm，径向桁架最大变形出现在其悬挑端部位置，最大竖向变形为-63.01 mm。竖向地震下，径向桁架最大变形出现在其悬挑端部位置，最大竖向变形为-3.65 mm。均满足变形控制要求。包络工况下的最大位移和应力比分别如图3、图4 所示。

图3 包络工况下最大位移

图4 包络工况下应力比

5 动力特性

多遇地震下整体模型分析，第1～9 振型为顶部装饰构件的局部振动，剔除局部振动，钢结构的整振型、周期如表1 所示。低阶阵型顶部装饰构件局部振动形态如图5 所示，钢罩棚整体振动形态如图6 所示。

表1 钢罩棚特征值分析

图5 低阶阵型顶部装饰构件局部震动。

图6 钢罩棚整体振动形态

6 性能化设计

采用等效弹性分析方法对结构在设防地震和罕遇地震作用下的抗震性能进行了分析。验算关键构件、普通竖向构件及耗能构件，在中、大震作用下，正截面和斜截面能否满足性能目标要求。计算模型为结构整体模型，包括主体结构、钢屋盖。根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》，确定体育场抗震性能目标C，构件抗震性能水准如表2 所示。

表2 构件抗震性能水准

定义径向桁架弦杆、径向桁架支座处腹杆（临支座2 个区格）、前拱桁架弦杆、前拱桁架支座处腹杆（临支座2 个区格）、尾部V 形构件为关键构件。径向桁架非支座处腹杆、前拱桁架非支座处腹杆、环向桁架、顶部装饰构件、水平支撑为普通构件。关键构件大震应力比如图7 所示。

图7 关键构件大震应力比

中震作用下，性能水准3 要求结构为轻度破坏，结构层间位移角不应大于1.5～2.0 倍的弹性层间位移角限值。因此，中震作用下，混凝土框架的层间位移角限值取为1/250；大震作用下，性能水准4 要求结构为中度破坏，结构层间位移角不应大于规范弹塑性层间位移角限值；大震作用下，混凝土框架的层间位移角限值取为1/100。钢结构罩棚整体满足抗震性能目标。

7 抗连续倒塌与关键节点分析

安全等级为一级的高层结构应进行抗连续倒塌设计[5]。本工程采用拆除构件法进行抗连续倒塌设计，逐个分别拆除结构重要构件，剩余结构的内力和变形采用弹性静力分析方法，对直接与被拆除构件相连的构件竖向荷载动力放大系数取2.0，其余构件取1.0；选取的失效部位为：前拱下弦杆（应力最大处）失效、尾部V 形杆（应力最大处）销轴失效、后拱混凝土支座失效。

分析结果表明：（1）前拱桁架单根下弦失效、尾部V 形杆（应力最大处）销轴失效时结构在1.0 恒+1.0 活作用下最大竖向变形未发生明显增大，变化幅度小于5%，失效节点附近构件应力比未发生明显变化。（2）支承混凝土柱失效后结构在1.0 恒+1.0 活作用下最大竖向变形为-90.93 mm，相对设计状态下未发生明显增大（设计状态下结构在1.0 恒+1.0 活作用下最大竖向变形为-58.93 mm，增加32 mm），失效混凝土柱附近构件应力比略有增大，但未出现构件应力比超标，结构不会发生整体倒塌。

本工程部分节点受力情况复杂，对结构安全有重大影响。构造复杂的重要节点应通过有限元分析确定其承载力，并应进行试验验证[6]。本工程对关键节点采用Abaqus 进行了有限元分析，并要求铸钢节点应进行验证性试验。网格精度25mm，单元类型Tet（四面体）线次单元C3D4。铸钢节点材料力学性能如表3 所示。

表3 铸钢节点材料力学性能

铸钢节点杆件5 倍设计荷载下柱顶铸钢节点及支座节点应力如图8、图9 所示，柱顶铸钢节点的最大位移0.76 mm，支座节点的最大位移3.1 mm。通过1～5 倍荷载下的荷载系数-位移曲线，得出极限承载力为设计荷载值的3.5 倍，其值大于3倍的设计承载力，铸钢节点承载力满足规范要求。

4.5 促进城市生态动态与社会动态协同发展

弹性建设策略提倡整合城市社会和生态动态，关注城市社会生态系统的发展过程、动态和功能，应对不可预测的变化和动荡。为设计选择一种更具适应性和灵活性的方法。具体的设计策略包括通过增强树池、池塘、庭院、沼泽等功能的设计来构建基于生态系统的雨水渗透系统，这些微流域都可以方便就地存储雨水。

5 结语

加快城市化和经济快速发展的重要部分是全面增强国力的有效途径。尽管我国的整体生活水平有所提高，但面对全球变暖、生态失衡、能源消耗、环境污染和经济结构失衡这些不确定因素，都将影响城市的自然抵抗能力。与传统的城市规划、空间规划设计不同，弹性城市建设将成为当前发展中高层思维研究的新趋势和焦点，并将成为城市发展的强大动力。