某体育馆网架结构设计与施工分析

刘天龙（同圆设计集团股份有限公司，山东 济南 250000）

大跨度钢网架结构由于具有外观造型优美、受力良好等优点，广泛应用于火车站、飞机场、展览厅、博物馆和体育馆等大型大跨、中跨公共建筑中，其结构设计水平和建造工艺也反映了一个国家的建筑科技发展水平[1]。与传统的钢筋混凝土结构不同，钢网架结构无须密集的柱网，可以为人类大型活动提供了充裕的空间，满足大空间的使用功能和使用需求；其次，钢网架属于空间镂空结构，是由许多杆件结构按照几何图形规律连接的空间结构，其自重远小于同等屋面面积的钢筋混凝土结构，因此，对下部框架和地基基础结构而言更为有利[2-3]。尽管如此，钢网架结构属于超静定结构，其受力分析和变形计算十分复杂，在建筑设计理念不断发展的背景下，确保大跨度钢网架结构的设计安全性、施工便捷性成为目前钢结构领域的重要研究方向[4]。

基于此，以山东省济南市某高校体育馆为研究对象，运用数值计算方法对不同荷载组合工况下的受力和变形进行计算，并提出屋面大跨度钢结构分条分块吊装施工工艺，采取全过程现场监测的手段对钢网架施工进行控制，分析钢网架的变形特征，研究成果可为大跨度钢网架结构的设计和施工提供参考。

1 工程概况

山东省济南市某高校体育馆为该校年度重点工程，项目定位为多功能综合体育馆，内设网球场、篮球场、游泳中心等，主要为学校体育教学和培训服务。体育馆建筑总高度为20m，设地上3层，无地下室，总建筑面积为4536m2，可以满足一般体育赛事要求，也可为学校庆典、展览和大型会议演出提供活动空间。建筑结构设计使用年限为50年，属于乙类建筑。建筑平面大致呈矩形，东西轴长度为36m，该方向柱间距为6m；南北轴长度为42m，该方向两端柱间距为6m，其余中间柱间距为9m。建筑基础形式为独立基础，地基承载力特征值不低于300kPa。支撑柱为钢筋混凝土结构，支撑柱的尺寸为500mm×600mm，高度为14.5m；墙体为砖砌结构，屋面为钢网架结构，为正放四角锥网架，钢材质为Q235B，长宽比小于1.5，覆盖总面积约为1730m2，网架钢管采用高频焊接钢管，网架采用下弦节点支承，节点形式采用螺栓球节点，支座节点采用国内平板压力支座，网格尺寸为3m×3m，体育馆大厅处为单层钢网架，网架高度为2.5m，体育馆入口处为双层钢网架，网架高度为5m，结合建筑屋面排水，采用结构找坡。拟建场地抗震设防烈度为7度，场地类别为II类。体育馆屋面钢网架结构如图1所示。

图1 体育馆屋面钢网架结构

2 体育馆屋顶大跨钢网架结构设计

为了有效模拟屋顶钢网架结构在各种工况条件的受力和变形，按照《网架结构设计和施工规程》对网架结构施加12 种荷载组合，如表1 所示。表中的G 表示恒荷载，按建筑结构自重取值，钢材容重为78.5kN/m3；H表示活荷载，按0.5kN/m2取值；W1为体育馆大厅位置单层钢网架风荷载，按吸力考虑；W2为体育馆入口位置双层钢网架风荷载，均按《建筑结构荷载规范》进行计算，可得到W1=-0.636kN/m2、W2=0.530kN/m2。运用有限元软件MSTCAD建立整体三维网架结构如图1所示，网架结构局部如图2所示。随后，对钢网架分别施加各荷载组合，对结构的受力和变形进行计算，施加荷载时恒荷载和活荷载在整体上采用均布加载方式，风荷载则按不同区域加载正负荷载[5]。

表1 体育馆屋面钢网架结构设计荷载组合

图2 体育馆屋面钢网架结构局部

受限于篇幅限制，图3列出了最不利工况荷载组合作用下（工况10）的钢网架受力和变形分布云图，其余工况荷载作用的钢网架受力和变形计算结果统计分析如表2 所示，表中负值表示杆件压力，正值表示杆件拉力。从表2中可以看出，最不利荷载组合为1.0恒荷载+1.4 活荷载+0.8 双层钢网架风荷载，钢网架最大变形为77mm，主要位于体育馆钢网架中部，钢网变形值向四周方向逐步减小，最大支座反力为1062kN，主要位于体育馆入口双层钢网架角点柱位置，最大杆件压力为1590kN，最大杆件拉力为340kN，整体处于可控状态。

表2 不同荷载组合作用下体育馆屋面钢网架结构的受力和变形计算结果

图3 最不利工况荷载组合作用下的钢网架受力和变形分布云图

3 体育馆屋顶大跨钢网架结构的分条分块吊装施工

目前，大跨度钢网架结构的施工工艺众多，有分节段拼装法、整体提升法、高空散装法、滑移法等，综合考虑场地条件、钢网架结构的重量和跨度，同时也为了减少钢结构的高空作业，利于高空作业安全控制，确定体育馆屋顶大跨钢网架结构的施工工艺为“屋面原位拼装、分条分块吊装拼接、全过程健康监测”，将屋顶钢网架大跨度钢网架分为5个分区，体育馆入口处双层钢网架为单独吊装提升，其余体育馆内部单层钢网架划分为均匀的4 个分区，每个分区均2 次累计提升，单独提升作业[6-7]。屋顶大跨度钢网架其主要的施工工艺流程如图4所示。

图4 体育馆屋顶大跨钢网架结构分条分块吊装拼接施工工艺

在屋顶钢网架提升过程中，为了保证屋面钢网架的平稳和受力合理，在吊装前进行数字化可视化模拟，确保施工方案具有合理性、可行性和安全性，结构能够整体成型、精确安装。为了使钢屋顶在提升过程中受力尽可能接近设计状态，设计了2种不同类型的提升支架平台，分别为钢柱式提升支架和三角支座式提升支架，如图5所示。

图5 两种不同类型的体育馆屋顶大跨钢网架结构提升支架

钢柱式提升支架为直径609mm 的钢柱顶部设置2个提升油缸和提升梁，钢柱材料为Q235B，提升梁为HN700mm×300mm×13mm×24mm，钢材为Q355B；三角支座式提升支架由3根直径为306mm的钢管组成等边三角形支腿，顶部设置1 个提升油缸和3 根提升梁，提升梁为双拼HW580mm×300mm×12mm×20mm。提升支架的设计和制作大大提高了钢网架的施工安全性，有效保障了施工顺利完成。

为了有效控制施工阶段大跨钢网架结构的安全状态，采取全程健康监测的方式，在施工前对钢网架的主受力点（支座周边主受力杆件）及挠度最大点（跨中杆件）安装应变计[8-9]，以监测提升卸载全过程杆件的位移变形情况。图6为现场实测的跨中杆件挠度时程曲线。从图6 中可以看出，随着安装进度的发展，跨中杆件挠度呈现非线性增加并趋于收敛的变化趋势，杆件的位移在24h之后趋于稳定，收敛值为21.5mm，整体处于可控状态。

图6 大跨度钢网架跨中杆件挠度时程曲线

4 结语

以山东省济南市某高校体育馆为研究对象，运用数值计算方法对不同荷载组合工况下的受力和变形进行计算，并提出相应的施工技术控制措施，采取全过程现场监测的手段对钢网架的施工进行控制，得到以下结论:

（1）数值计算表明，最不利荷载组合为1.0恒荷载+1.4 活荷载+0.8 双层钢网架风荷载，钢网架最大变形为77mm，最大支座反力为1062kN，最大杆件压力为1590kN，最大杆件拉力为340kN。

（2）提出“屋面原位拼装、分条分块吊装拼接、全过程健康监测”的施工方案，并设计和制作了钢柱式提升支架和三角支座式提升支架，大大提高了施工安全性。

（3）位移监测表明，随着安装进度的发展，跨中杆件挠度呈现非线性增加并趋于收敛的变化趋势，杆件的位移在24h之后趋于稳定，收敛值为21.5mm，整体处于可控状态。