阿拉爾市體育中心體育館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計
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劉 佳，何 挺，虞崇鋼
（浙江東南網(wǎng)架股份有限公司，浙江杭州 311209）
[摘要]阿拉爾市體育中心體育館主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面部分為落地空間管桁架結(jié)構(gòu)。重點介紹了屋蓋結(jié)構(gòu)體系以及在分析和設(shè)計中涉及的關(guān)鍵問題。采用3d3sll.0和MIDAS/Cen 8.0兩種軟件進行整體計算并相互校核。進行了非線性整體穩(wěn)定性分析，同時采用ANSYS軟件對該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點進行分析。計算分析表明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比、變形及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。
[關(guān)鍵詞]體育館；空間管桁架；風(fēng)洞試驗；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)設(shè)計
[中圖分類號]TU391[文章編號]1002-8498(2016)08-0055-05
1 工程概況
阿拉爾市體育中心體育館占地面積11 970m2，總建筑面積17 480m2，總高度為35. 0m，南北方向長152. 6m，東西方向（中部）最寬109m，最窄處43. 95m，呈南北向“梭形”布局，主要由室內(nèi)比賽籃球場和訓(xùn)練籃球場組成，可容納最多觀眾人數(shù)2 956人。
體育館從結(jié)構(gòu)形式可分為兩部分：主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架，屋面結(jié)構(gòu)采用落地空間管桁架結(jié)構(gòu)，2種結(jié)構(gòu)相互獨立。其中鋼筋混凝土框架部分為地上1層，局部3層，空間管桁架結(jié)構(gòu)最大跨度94. 73m，最小跨度為38. 29m。屋面均采用鋁鎂錳板直立鎖邊結(jié)構(gòu)防水體系，屋面層含保溫層，桁架梁及柱均外包鋁板，外墻采用玻璃幕墻和屋頂連接（見圖1）。
2屋蓋結(jié)構(gòu)體系
體育館的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋平面呈梭形布置(見圖2a)，頂面呈馬鞍形，側(cè)面輪廓也非直線（見圖2b，2c)，結(jié)構(gòu)找形和建模難度較大。
找形時要求結(jié)構(gòu)桿件軸線為建筑外輪廓向內(nèi)偏500mm，建模時又要使節(jié)點間距盡量規(guī)整，方便后期檁條的布置及安裝，經(jīng)過多次對比和調(diào)整，將屋面節(jié)點間距定為5m，墻面節(jié)點間距定為2.5m。在此基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析調(diào)整其余節(jié)點位置，使桿件長度和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布盡量均勻，桿件夾角合理，提高了結(jié)構(gòu)受力性能和經(jīng)濟性，實現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。
12榀形狀相似但大小不一的門式主桁架沿短軸方向布置，為主要結(jié)構(gòu)受力單元，桁架截面為倒三角形，最大跨度的一榀管桁架跨中高度約5. 3m，上弦間距4m。為了加強主桁架平面外（長軸方向）的抗側(cè)剛度，在主桁架間設(shè)置了通長的環(huán)形連系桁架，但建筑師為了保證建筑外觀簡潔輕盈，要求避免環(huán)桁架外露，從而只能將環(huán)桁架設(shè)置在主桁架角部向內(nèi)15m左右的位置，沿屋面縱向設(shè)置一系列剛度較大的系桿、支撐，將12榀主桁架聯(lián)系成整體，形成縱向抗側(cè)力體系。
3計算分析
3.1原始設(shè)計條件
為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用3d3s11.0和MIDAS/Gen 8.0兩種軟件進行整體計算并相互校核，整體計算模型如圖3所示，桁架落地支座為成品鉸支座。
3.1.1 荷載取值
1)恒荷載
金屬屋面、檁條、保溫層等取0. 5kN/m2；玻璃采光帶取1. 0kN/m2；太陽能集熱板、光伏板加龍骨等取1. 2kN/m2；結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動計算確定，考慮節(jié)點和外包板材質(zhì)量乘以1. 05放大系數(shù)；設(shè)備荷載：馬道恒荷載按1kN/m計算，活荷載按2.0kN/m考慮；罩棚端部燈具、設(shè)備等按實際質(zhì)量施加節(jié)點荷載。
2)活荷載
活荷載取0.5 k N/m2；雪荷載：基本雪壓0.1kN/m2（50年重現(xiàn)期）；風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓ω0=0.45 k N/m2（50年重現(xiàn)期），地面粗糙度為A類，風(fēng)振系數(shù)為1.5，風(fēng)荷載體型系數(shù)根據(jù)風(fēng)洞試驗報告提供的數(shù)據(jù)取值。
3)溫度作用
阿拉爾市屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫- 28℃。由于不能準(zhǔn)確確定施工日期，考慮結(jié)構(gòu)合龍在大多數(shù)月份的可能性，施工合龍溫度取為10~25℃。升溫：35-10：25℃，降溫：-28 - 25=- 53℃。
4)地震作用
抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0. 05g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期0. 65s，體育館屋蓋結(jié)構(gòu)阻尼比：f=0.02。乙類建筑，建筑物安全等級為二級；主結(jié)構(gòu)使用年限為50年。
3.1.2 風(fēng)荷載分析
阿拉爾市體育館為復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，體育館中心頂部、側(cè)面、立柱以及橫梁之間會產(chǎn)生強烈的氣流干擾，而體育館造型復(fù)雜，縱向剛度相對較低，對風(fēng)荷載比較敏感，通過現(xiàn)有的荷載規(guī)范較難確定風(fēng)荷載參數(shù)，因此準(zhǔn)確確定該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計達到安全和經(jīng)濟兩個目標(biāo)的關(guān)鍵。
由于結(jié)構(gòu)設(shè)計周期較緊，選用周期相對較短的數(shù)值風(fēng)洞模擬方法進行不同風(fēng)偏角下的結(jié)構(gòu)流場分布及表面風(fēng)荷載分析。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，風(fēng)偏角范圍為0 N1800，風(fēng)偏角間隔為150，共13個風(fēng)偏角。
結(jié)構(gòu)雙軸對稱，因此選擇00，450和9003個風(fēng)偏角作為3種風(fēng)荷載工況加載，3個風(fēng)偏角下的風(fēng)荷載體型系數(shù)如圖4所示。
3.2主要計算結(jié)果
3. 2.1 結(jié)構(gòu)動力特性
表1給出了結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果，MIDAS/Gen和3d3 s11.0兩個軟件前4階的動力特性分析結(jié)果比較一致，屋蓋的主要質(zhì)量集中于頂部但沒有加設(shè)柱間支撐的條件，決定了結(jié)構(gòu)的主要自振模態(tài)，MIDAS/Gen分析得到的結(jié)構(gòu)前4階振型如圖5所示。
3.2.2 結(jié)構(gòu)位移驗算
圖6為MIDAS/Gen分析得出的標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下的豎向變形，z向位移最大值為- 126mm，此處桁架跨度最大，為94. 73m，撓度為126/94 730 =1/752<1/400，滿足規(guī)范要求，3d3 s11.0分析得出的變形與其較接近。
風(fēng)荷載作用下鋼屋蓋頂面為負(fù)壓，z向變形向上，3種風(fēng)荷載工況中，900風(fēng)偏角工況下的z向位移最大，達到27mm，與恒荷載疊加后最終變形為向下，風(fēng)荷載對頂面結(jié)構(gòu)起有利作用，但對立面結(jié)構(gòu)不利，450風(fēng)偏角工況下柱頂側(cè)向位移最大值達到12mm，該處結(jié)構(gòu)高度31. 5m，12/31 500=1/2 625，滿足規(guī)范要求。00，450，900風(fēng)偏角下結(jié)構(gòu)位移云圖如圖7所示。
溫度荷載作用下結(jié)構(gòu)變形如圖8所示，其中降溫工況時柱頂側(cè)向位移最大，達到37mm，也滿足柱頂位移限值要求。
3.2.3 桿件應(yīng)力比
圖9為所有靜力（及小震）組合工況作用下桿件應(yīng)力比，其中弦桿的應(yīng)力比基本控制在0.8以內(nèi)，其他桿件最大應(yīng)力比小于0.9，該結(jié)構(gòu)桿件強度滿足要求。
3.2.4整體穩(wěn)定性分析
1)線性屈曲分析
在考慮標(biāo)準(zhǔn)荷載組合的前提下，利用MIDAS/Gen通用有限元分析軟件對鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進行線性屈曲特征值分析，得到其第1階整體屈曲特征值K =79，其第1階屈曲模態(tài)如圖10所示，未發(fā)生整體屈曲，屈曲模態(tài)為屋面鋼桁架梁側(cè)向失穩(wěn)，證明鋼屋蓋具有良好的整體穩(wěn)定性。
2)非線性屈曲分析
采用第1階的線性屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷的分布模態(tài)，最大值按跨度的1/300取值。屋蓋最大跨度94m，因此按比例調(diào)整后的幾何缺陷的最大值取313 mm，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)非線性計算。采用位移控制法計算得到的非線性屈曲荷載系數(shù)為11，滿足規(guī)范限值要求。
- 節(jié)點設(shè)計
體育館立體空間管桁架內(nèi)折角位置受力較大，且桿件交匯嚴(yán)重；環(huán)桁架外側(cè)上弦與主桁架上弦交匯處，交匯桿件多達10根，因此在這3個部位采用鑄鋼節(jié)點（見圖11），數(shù)量共68個。結(jié)構(gòu)雙軸對稱，因此選取最大跨度位置的節(jié)點進行分析。采用通用有限元軟件ANSYS11,0進行了設(shè)計荷載作用下節(jié)點的線彈性靜力分析，選用的單元為三維實體單元SOLID45，彈性模量206GPa，泊松比為0.3。約束桿件截面較大的1根弦桿端部，在其余桿件上按同一組合下的內(nèi)力情況進行加載。計算結(jié)果表明，應(yīng)力最大值為167MPa，遠未達到屈服應(yīng)力，最大位移0.54mm，滿足設(shè)計要求。
4結(jié)語
本文通過對阿拉爾市體育中心體育館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)、溫度等荷載作用下的靜力、動力反應(yīng)以及穩(wěn)定性能的系統(tǒng)分析研究，得到如下結(jié)論。
1)屋面體系以結(jié)構(gòu)短軸方向的門式主桁架為主要承重結(jié)構(gòu)，環(huán)形連系桁架、支撐、系桿共同形成縱向抗側(cè)力體系。
2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比及變形均能滿足設(shè)計要求，2個計算軟件給出的不同模型計算結(jié)果較為接近，計算結(jié)果可靠。
3)對結(jié)構(gòu)進行了線性屈曲分析，并在此基礎(chǔ)上進行了考慮初始缺陷的幾何非線性屈曲分析。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形態(tài)均呈現(xiàn)跨中屋面鋼桁架梁側(cè)向失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性可以得到保證。
4)部分構(gòu)造復(fù)雜受力較大的節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點，采用ANSYS軟件進行了節(jié)點有限元分析，節(jié)點的應(yīng)力及變形均能滿足設(shè)計要求。
