日照某体育馆的结构设计

日照某体育馆的结构设计

洪祎

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司上海200092

摘要：日照某体育馆地下二层、地上三层，结构平均高度20.000m，总建筑面积86333m2。钢骨斜柱、大跨度空间以及复杂的屋盖造型是设计中遇到的主要难点。本文介绍了结构体系的布置和抗震性能化设计、罕遇地震作用下的静力弹塑性分析结果及屋盖钢结构的设计内容。阐述了设计中的相关问题和解决措施，结果表明结构安全可靠，且满足建筑造型需求。

关键词：体育馆，性能化设计，静力弹塑性分析，钢结构屋盖

1工程概况

日照某体育馆位于山东省日照市，总建筑面积86333m2（地上35535m2，地下50798m2）。项目定位为国家体育建筑乙级标准，满足承办地区性和全国单项比赛的需求。体育馆平面尺寸约为85m×170m（不含室外平台），地下二层，地上三层（局部尚有夹层），结构平均高度20.000m，钢结构屋盖标高11.000~28.000m，属于多层建筑。

地上部分共分为比赛馆、全民健身馆、宾馆三个功能区域。比赛馆和全民健身馆分别位于建筑东侧和西侧，场馆部分地上一层、二层层高均为5.4m，轴网尺寸多为8.4m×8.4m。运动员公寓（宾馆）位于建筑西南侧，由于运动员公寓地上各层的楼面标高与场馆部分不同，故在地上部分设置变形缝形成独立单体。地上一层层高4.2m，二、三层层高均为3.8m，轴网尺寸一般为7.2m（8.2m）×8.4m。屋盖采用钢结构，比赛馆屋盖最大跨度为57.6m，健身馆屋盖最大跨度为39m。

工程设计使用年限为50年，安全等级为一级。抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.45s。基本风压ω0=0.4kN/m2（50年一遇），地面粗糙度为B类。基本雪压S0=0.4kN/m2（50年一遇）。

图1建筑鸟瞰图

图2建筑效果图

图3建筑典型剖面图

2下部混凝土结构设计

2.1结构体系及布置

由于运动员公寓地上各层的楼面标高与其余场馆不同，故在地上部分设置变形缝形成独立单体。比赛馆、健身馆等场馆的主要柱网尺寸为8.4m×8.4m。比赛馆屋盖跨度为57.6m，健身馆屋盖跨度为39m。根据建筑特点，体育馆屋盖采用钢结构屋面，下部支撑结构采用采用钢筋混凝土框架结构，普通框架抗震等级为二级。

框架柱截面一般为700×700，支承比赛馆和健身馆大跨屋盖的框架柱截面为700×1000、700×800；东侧和西侧结合建筑立面造型，设置有直径750mm的圆形斜柱，与水平方向夹角为72°。斜柱和支撑大跨屋盖的柱内设置有型钢以提高承载能力，柱内型钢向下延伸至地下一层楼面，同时将其抗震等级提高至一级。场馆部分的框架柱混凝土等级均为C40。

框架梁主要截面尺寸为400×750，非框架梁一般为250×600。为增加结构整体性和提高抗扭性能，在支承钢屋盖的框架柱柱顶周圈设置有拉梁，拉梁截面一般为500×900，同时加大其抗扭钢筋的配置。屋面板厚一般为120mm，楼板大开洞及拐角连接薄弱部位楼板加厚至150mm，并加强配筋。地上部分梁板混凝土等级为C30。

图4结构典型平面图

本工程设有两层地下室，地下室顶板采用梁板式结构并作为上部结构的嵌固端，同时对室内外高差处采取加腋做法以确保水平力的传递。基础采用抗拔锚杆+筏板的基础形式，局部非地下室部分的柱下采用独立基础形式。

2.2小震分析及抗震性能化设计

结构分析主要采用盈建科（YJK）计算软件，并用MIDASBuilding作为辅助软件进行对比校核。对上部钢结构屋盖，按等刚度原则用钢梁进行模拟作整体指标分析。考虑项目的重要性和钢结构屋盖的复杂性，为准确分析各构件的受力，设计时按实际情况建立上部钢结构与下部混凝土结构的整体拼合模型，与等刚度模型进行包络设计，满足小震弹性的要求。

图5结构整体分析模型

本工程为多层建筑，根据《山东省超限建筑工程抗震设防专项审查实施细则》进行判别，本工程不属于超限建筑工程。但由于项目为乙类建筑，且有部分框柱作为大跨钢屋盖的支承，为确保结构安全，设计时对竖向构件进行了性能化设计。将斜柱和支撑大跨屋盖的框柱定义为关键构件，其余框柱为普通竖向构件。同时将屋面大跨梁、大悬挑构件等也定义为关键构件。关键构件的抗震性能目标满足中震弹性、大震不屈服。普通竖向构件的抗震性能目标为C，即在多遇地震、设防烈度地震及预估的罕遇地震下性能水准分别为1、3、4。

2.3大震下静力弹塑性（PUSHOVER）分析

为考察结构在罕遇地震下的承载能力和弹塑性变形，设计时采用EPDA/PUSH软件对本工程进行了罕遇地震作用下的静力弹塑性（PUSHOVER）分析，并根据分析结果对结构薄弱部位采取针对性的加强措施。

分析采用梁柱元和剪力墙元两种非线形单元，混凝土的本构关系采用Saenz曲线模拟，考虑下降段的同时忽略了混凝土的抗拉，钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型。分析采用倒三角形荷载，不考虑P-Δ效应，但考虑梁柱交接刚域的影响，直接读取SATWE计算配筋值作为构件的实际配筋，材料强度选用标准值。

分析结果表明，大震作用下X、Y方向性能点处各关键构件均未出现塑性铰，塑性铰主要分布在普通框架柱柱脚及部分框架梁处。大震作用下X、Y方向性能点处结构能力曲线仍有上升的趋势，弹塑性位移未超过规范限值1/50，能够满足大震下“大震不倒”的性能要求。

表1大震作用下结构位移

（a）X向性能-需求谱线（b）Y向性能-需求谱线

图6大震作用下结构抗倒塌验算图

3.屋盖钢结构设计

3.1屋盖体系及布置

本工程钢屋盖高低起伏，结构分为上中下三个部分。屋盖立面轮廓为波浪起伏的曲线，屋盖投影为若干带状矩形拼凑而成的近似矩形。从建筑功能上主要分为两个大空间区域，即比赛馆和健身训练馆，比赛馆屋盖最大跨度为57.6m，健身馆屋盖最大跨度为39m。在体育馆尾部为密柱区域。屋盖钢结构总投影长度为227m，宽度为114m，屋面结构最高标高为27.5m。

根据屋面的建筑形态、下部结构可以提供的支承条件，并综合考虑各结构体系适用性，体育馆屋盖钢结构采用张弦梁+正交网格结构体系。在比赛馆上方布置沿纵向的张弦梁，张弦梁主梁高600，拉索撑杆高度约5.5m，拉索采用PE索，垂直于主梁方向布置次梁。在健身训练馆上方沿着纵向方向布置主梁，主梁呈波浪形高低起伏，同时利用高低交错位置形成空腹桁架增加训练馆上方的结构刚度，沿着横向布置次梁。最下层的幕墙结构通过幕墙主龙骨连接于混凝土平台之上。屋面结构通过支座铰接于混凝土柱顶、梁顶上，部分钢结构梁铰接于混凝土柱侧。

图7体育馆钢屋盖分析模型轴测图

图8比赛管张弦梁和健身训练馆桁架典型断面图

3.2主要分析结果

钢屋盖分析采用SAP2000软件进行，模型中包含钢屋盖和适当简化后的混凝土两部分，基本雪压和基本风压均按100年一遇进行考虑。日照当地月平均最高气温为33℃，最低气温为-8℃，假定钢结构合拢温度为10-20℃，故按升降温各30℃考虑温度作用。

分析结果表明，在竖向荷载作用下，比赛馆上方张弦梁的箱梁轴压较大，而在其他两个大空间上方的梁轴力较小。张弦梁呈典型连续梁的弯矩分布特征，结构在撑杆位置反弯，说明撑杆可以有效的减少主梁的弯矩最大值。同时由于屋盖呈现波浪形，局部拱形钢梁拱作用明显，钢梁整体呈受压状态。

从图10中可以看出，在恒载和活载标准组合下，各区域屋盖变形较为均匀，张弦梁跨中最大挠跨比为1/763，单梁跨中最大挠跨比为1/547，均满足限值[1/400]的要求；结构纵向端部悬挑端部最大位移为1/213，满足限值[1/150]的限值要求。另外在10~14轴之间（图9中C点区域）由于建筑造型下凹等原因容易引起屋面的积雪，故在此位置布置桁架结构，同时挠跨比按1/600控制，分析结果表明该处变形能够满足要求。

图9体育馆钢结构变形测点布置图

图10体育馆钢结构竖向变形图（1.0恒+1.0活）

表2体育馆钢结构变形分析结果（单位：mm）

注：1、负号表示位移向下，正号表示位移向上，S表示自重，PREE表示预张力，D表示附加恒荷载，L表示活荷载。

3.3考虑双非线性的极限承载力分析与塑性发展机制

对完善模型施加1/300跨度的第一模态初始缺陷，进行双非线性极限承载力分析，以考察屋盖钢结构的极限承载能力和塑性发展机制。分析时材料均采用理想弹塑性模型。分析结果如图11所示，极限荷载因子为5.71，表明结构的极限承载力较强，满足《空间网格技术规程》（JGJ7-2010）的要求。

图11带初始缺陷的结构弹塑性分析荷载-位移曲线

结构的塑性发展机制大致如下：荷载因子为3.83时，张弦梁上弦杆局部出现塑性；随着荷载因子的不断增加，张弦梁上弦杆塑性进一步发展；在荷载因子为5.23时，部分桁架支座处杆件及屋面主梁部分出现塑性；最终达到极限荷载因子时，桁架支座处杆件塑性进一步发展，大部分张弦梁上弦杆进入塑性，结构不适于继续承载。此时拉索尚未达到破断荷载，拉索未破坏，分析表明拉索具有充足的安全冗余度，有助于避免结构发生突然垮塌。

4结论

（1）本工程下部为混凝土结构，屋盖为钢结构，最大跨度57.6m且造型复杂。选用两种计算软件进行分析并采用上下部整体模型进行包络设计，满足小震弹性的要求。

（2）对结构构件进行了抗震性能化设计，关键构件的抗震性能目标满足中震弹性、大震不屈服。普通竖向构件的抗震性能目标为C。

（3）对整体结构和屋盖钢结构分别进行了静力弹塑性分析和极限承载力分析，分析结果表明结构的的塑性发展机制较为合理，具有较强的安全储备。

参考文献：

[1]董石麟，邢栋，赵阳.现代大跨空间结构在中国的应用与发展[J].空间结构.2012

[2]陈建新，陈以一.大跨度张弦梁的结构特点和研究课题[M].工业建筑.2002

[3]吴剑国，张其林.网壳结构稳定性的研究进展[J].空间结构.2002