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摘要：以天長市全民健身中心體育場項目為研究背景，設(shè)計時對下部的超長混凝土結(jié)構(gòu)和上部鋼罩棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重力荷載、風(fēng)荷載、地震荷載計算，同時對超長混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)充了溫度應(yīng)力計算，給出了減少結(jié)構(gòu)裂縫的設(shè)計和施工措施。對上部的大懸挑管桁架結(jié)構(gòu)補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)整體屈曲分析，研究分析了相貫節(jié)點的加強(qiáng)構(gòu)造措施，并對復(fù)雜鑄鋼節(jié)點補(bǔ)充了應(yīng)力分析，確保了結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

關(guān)鍵詞：溫度應(yīng)力；風(fēng)洞實驗；整體屈曲分析；鑄鋼節(jié)點應(yīng)力分析

1工程概況

天長市全民健身中心項目包含體育場、體育健身綜合館、配套商業(yè)以及室外市民健身運動場地。其中體育場總建筑面積21121m2（不含觀眾大臺階），共12266座觀眾座椅，地上局部三層，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋完成面最高點32.945m。其中混凝土功能用房部分最高點位于西側(cè)看臺上方的局部三層機(jī)房區(qū)域，其最高點頂板標(biāo)高18.605m。建筑效果圖見圖1。圖1天長市全民健身中心體育場體育場主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部罩棚采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，屋面采用金屬屋面。鋼結(jié)構(gòu)罩棚外觀呈幾何拼接狀，外形來源于天長的市花“茉莉花”。平面呈橢圓形，南北向長約243m，東西向?qū)捈s22m，徑向桁架懸挑最大長度約為28m，屋蓋結(jié)構(gòu)最高點約為31.8m。上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土結(jié)構(gòu)通過內(nèi)圈和外圈支柱連接。該部位框柱采用型鋼柱。支座采用抗震球鉸支座，為保證建筑整體美觀性，鋼結(jié)構(gòu)罩棚和下部混凝土結(jié)構(gòu)均不設(shè)變形縫。

2結(jié)構(gòu)計算分析

2.1結(jié)構(gòu)選型

體育場下部混凝土結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，室外大臺階和看臺的框柱為方柱，其他均為圓柱，截面類型為600X600、800X800、Φ800、Φ1200、Φ1500。由于結(jié)構(gòu)超長，為避免扭轉(zhuǎn)，沿結(jié)構(gòu)環(huán)向均勻設(shè)置了一些柱間支撐，此部分支撐與相連的框架柱采用抗震性能化設(shè)計。體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要由徑向桁架、環(huán)向立體桁架、中部片桁架、環(huán)向立體三角錐桁架、墻面單層鋼架以及水平支撐組成[1]，上部鋼結(jié)構(gòu)通過內(nèi)圈和外圈支座支撐到下部混凝土柱上。考慮到屋蓋鋼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性，并最大限度滿足建筑專業(yè)造型要求，經(jīng)過方案比較，上部結(jié)構(gòu)的主要受力體系：內(nèi)外圈支座支撐的徑向懸挑主桁架作為主要受力結(jié)構(gòu)，徑向片桁架間距約在5m~6.5m，主桁架與懸挑根部的環(huán)向立體桁架形成封閉的受力體系。考慮到建筑造型以及屋蓋面外剛度，在徑向主桁架間設(shè)置多道次桁架，一道環(huán)向片桁架、懸挑端部的封邊三角錐立體桁架構(gòu)成結(jié)構(gòu)完整受力體系。為了提高屋蓋整體環(huán)向剛度和水平傳力路徑效率，分別在徑向設(shè)置了12道通長水平支撐和1道環(huán)向水平支撐。管桁架采用相貫節(jié)點，局部桿件相交較多處以及支座采用鑄鋼節(jié)點。

2.2荷載作用分析、取值及效應(yīng)組合

2.2.1重力荷載。混凝土部分樓面恒、活荷載和隔墻荷載按照建筑功能做法和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）確定。鋼結(jié)構(gòu)部分：金屬屋面+檁條：1.0kNm2，墻面：1.0kNm2。屋面活載按0.6kNm2考慮（考慮100年一遇的雪荷載）；馬道自重按2.5kN/m計算，活載按1.0kN/m考慮。屋蓋燈具、配電箱以及橋架線纜按照相關(guān)專業(yè)提供荷載施加。

2.2.2風(fēng)荷載分析及取值下部混凝土。部分風(fēng)荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）取值，由于屋頂罩棚為大懸挑輕鋼結(jié)構(gòu)，屬于風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，本文重點研究鋼結(jié)構(gòu)部分的風(fēng)荷載取值。基本風(fēng)壓取0.40kN/m2（100年重現(xiàn)期），地面粗糙度：B類，風(fēng)壓高度系數(shù)mz=1.416（最高點離地面31.801m）。由于罩棚體型的特殊性，現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）無現(xiàn)成可用的體型系數(shù)，為確保結(jié)構(gòu)設(shè)計安全合理，在施工圖設(shè)計階段，特委托合肥工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊在湖南大學(xué)邊界層風(fēng)洞實驗室進(jìn)行了縮尺比1：250的剛性模型測壓實驗，鋼結(jié)構(gòu)屋面及立面共布置了上下各220個測點，報告提供了一共24個風(fēng)向角的測壓數(shù)據(jù)，根據(jù)報告結(jié)果[2]，經(jīng)過對比分析最終選取了0度、90度、180度、270度四個風(fēng)向角參與計算。根據(jù)測點的測壓數(shù)據(jù)線性插值得到了鋼結(jié)構(gòu)一共3033個節(jié)點的風(fēng)壓系數(shù)，在3d3s軟件里用文檔數(shù)據(jù)導(dǎo)入這些節(jié)點的風(fēng)壓數(shù)據(jù)，即可參與整體風(fēng)荷載計算。風(fēng)振系數(shù)依據(jù)報告結(jié)果[3]且考慮工程實際取βz=1.8。2.2.3地震荷載及取值。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，天長地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，記基本地震加速度值0.10g，設(shè)計地震分組：第二組。抗震設(shè)防類別為丙類，但依據(jù)《安徽省防震減災(zāi)條例》，本工程為人員密集類建筑應(yīng)提高一檔抗震設(shè)防，故抗震計算按照7度0.15g取值。2.2.4溫度荷載分析及取值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，設(shè)計階段溫度荷載取值如下：上部鋼結(jié)構(gòu)：+30℃（溫升）；-25℃（溫降）。下部混凝土結(jié)構(gòu)：+26℃（溫升）；-20℃（溫降），混凝土收縮當(dāng)量溫差取10℃，故混凝土降溫為-20-10=-30℃。慮混凝土徐變變形引起的構(gòu)件應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛系數(shù)取0.3。2.2.5作用效應(yīng)組合在承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)設(shè)計中，選取了總計50種組合，基本涵蓋了結(jié)構(gòu)在施工及使用階段的各種最不利情況。其中包括無地震組合34種，考慮地震作用組合10種，雙向及三向地震組合6種。在正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)設(shè)計中，采用了5種荷載效應(yīng)組合。另外，增加了中震復(fù)核工況組合各13種。2.2.6內(nèi)力分析下部混凝土結(jié)構(gòu)采用YJK系列軟件建立空間結(jié)構(gòu)模型，上部鋼結(jié)構(gòu)采用3D3S軟件計算，整體模型組裝采用sap2000軟件進(jìn)行復(fù)核。同時對于鋼結(jié)構(gòu)部分補(bǔ)充了特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1基礎(chǔ)設(shè)計

依據(jù)本工程勘察報告，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為Φ800、Φ1200，支撐上部鋼桁架前端柱底為抗壓樁，后端柱底為抗壓兼抗拔樁。基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，工程施工前期已做非工程樁試樁，單樁承載力滿足設(shè)計要求。

3.2主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部混凝土結(jié)構(gòu)采用YJK軟件進(jìn)行分析設(shè)計，支撐上部鋼桁架的框柱采用型鋼柱。考慮結(jié)構(gòu)的重要性和復(fù)雜性，對于局部構(gòu)件采用性能化設(shè)計，其中支撐上部鋼結(jié)構(gòu)框柱、單跨混凝土結(jié)構(gòu)的框架柱按中震正截面受彎彈性、斜截面受剪彈性設(shè)計，除此之外其他混凝土豎向構(gòu)件（不含純地下室柱，屋頂局部梁上柱）按中震正截面受彎不屈服，斜截面受剪不屈服設(shè)計，二層、看臺層支座環(huán)梁，柱間支撐跨框架梁，單跨框架梁按照中震正截面受彎不屈服，斜截面受剪不屈服設(shè)計。由于下部混凝土結(jié)構(gòu)超長，用sap2000軟件補(bǔ)充了樓板應(yīng)力計算，首層及梯段板的應(yīng)力云圖如圖4所示，由圖可以看出：首層樓板應(yīng)力均小于1.0MPa。梯段板環(huán)向應(yīng)力隨高度增大而降低，環(huán)向應(yīng)力大部分小于1MPa，但在樓板折角位置有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力接近2MPa；梯段板徑向應(yīng)力，過渡平緩，均在0.38MPa左右。此處樓板板厚為130，板配筋加強(qiáng)為10@150雙層雙向，以有效抵抗溫度應(yīng)力，確保混凝土拉應(yīng)力小于限值。結(jié)構(gòu)最內(nèi)圈及最外圈框架梁、柱配筋也比計算值加大15%左右配置，環(huán)梁上下均采用四根通長筋，加大抗扭鋼筋作為腰筋。同時施工期間采取了如嚴(yán)格控制后澆帶間距，采用低水化熱水泥，采取合理的施工工序及后澆帶封閉順序等，并要求施工單位編制詳細(xì)的混凝土施工方案，包括混凝土的配比、粉煤灰摻量、外加劑種類及用量、后澆帶的處理、施工組織及養(yǎng)護(hù)措施等，并經(jīng)專門論證后方可施工。上部鋼結(jié)構(gòu)采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，上下弦管連續(xù)，腹桿支管采用相貫節(jié)點，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》條文，結(jié)構(gòu)計算時按照支管和主管剛接、鉸接包絡(luò)設(shè)計。桿件截面在滿足受力及構(gòu)造基礎(chǔ)上采用程序優(yōu)選界面。鋼屋蓋構(gòu)件在恒、活、風(fēng)、溫度及小震最不利組合下大部分桿件應(yīng)力水平低于0.8，大部分桁架弦桿應(yīng)力受地震與溫度荷載組合控制。鋼結(jié)構(gòu)桿件滿足中震不屈服性能要求，在中震彈性復(fù)核結(jié)果下大部分桿件應(yīng)力比均低于0.8，與恒、活、風(fēng)荷載、溫度荷載及小震最不利組合相比，應(yīng)力比水平略有增大。對整體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充了特征值屈曲分析，考慮結(jié)構(gòu)自重作用初始態(tài)下，附加恒載和活荷載組合工況下結(jié)構(gòu)發(fā)生線性屈曲的荷載系數(shù)為17.89（第一階屈曲模態(tài)），利用歐拉公式反算桿件的計算長度，均小于規(guī)范規(guī)定的桿件計算長度。考慮材料線性、幾何非線性，采取恒+活的加載模式，用SAP2000計算上部鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。幾何初始缺陷按線性屈曲分析中第一階屈曲模態(tài)分布，最大缺陷值取徑向桁架懸挑長度的L/400(L為徑向桁架懸挑長度)。計算結(jié)果顯示（圖6），結(jié)構(gòu)發(fā)生非線性屈曲時，豎向基底總反FZ=677966.13kN。靜力計算中在附加恒和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，其豎向基底總反力FZ=76067.86kN，重下豎向基地反力FZ=30194.39kN，故結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限承載力臨界系數(shù)K（677966.13-30194.39）/76067.86=8.87>5，滿足要徑向S22環(huán)向S11圖4梯段板的溫度應(yīng)力圖5桿件應(yīng)力比分布求。

3.3節(jié)點設(shè)計

主管和支管間采用相貫節(jié)點，在主次管較多相交地方，采取了如主管變徑，節(jié)點偏心調(diào)整等措施保證施工質(zhì)量（詳圖7），但是由于結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，最多節(jié)點處匯交了11根桿件。故對于這些受力復(fù)雜且桿件眾多的節(jié)點均采用了鑄鋼節(jié)點。鑒于規(guī)范[4]中未明確該類復(fù)雜節(jié)點的驗算方法，為確保結(jié)構(gòu)安全，本文對這些節(jié)點建立三維模型，補(bǔ)充了應(yīng)力分析[5]。各節(jié)點均選用四面體網(wǎng)格，單元類型C3D4（四結(jié)點線性四面體單元）。在各個支管的形心位置建立參考點，并建立與各截面的耦合約束。邊界根據(jù)實際工程情況，鑄鋼節(jié)點截面底部采用固定約束；其他管端作為剛性區(qū)域，在剛性區(qū)域的形心位置建立局部坐標(biāo)系并施加集中荷載。支座節(jié)點有限元模型及應(yīng)力分析見圖8。由圖8可知，應(yīng)力大的部位集中在桿端荷載較大的一側(cè)，應(yīng)力大小在70MPa左右，另一側(cè)區(qū)域應(yīng)力值有明顯的減小，應(yīng)力大小在10MPa左右。節(jié)點的最大應(yīng)力值為113MPa，出現(xiàn)在桿件（2、5）的匯交處。應(yīng)力峰值沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，節(jié)點所有區(qū)域的應(yīng)力都在彈性范圍之內(nèi)，節(jié)點大部分區(qū)域的應(yīng)力都在100MPa以內(nèi)，由此也可推斷節(jié)點所受荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其承載力。節(jié)點設(shè)計安全可靠。

4結(jié)論

①體型復(fù)雜的大懸挑罩棚結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，其風(fēng)荷載取值應(yīng)由風(fēng)洞實驗提供，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。②對于超長的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行溫度應(yīng)力計算，根據(jù)計算結(jié)構(gòu)配置溫度鋼筋，同時施工期間應(yīng)采取多種綜合措施確保結(jié)構(gòu)使用期不開裂。③對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)補(bǔ)充屈曲穩(wěn)定性分析。④對于受力復(fù)雜的相貫節(jié)點，規(guī)范未給出明確的節(jié)點強(qiáng)度驗算公式，應(yīng)補(bǔ)充應(yīng)力分析，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

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作者:劉毛方 孟磊 單位:安徽省金田建筑設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司