不规则椭球体体育建筑的动力性能分析

2013-08-21苏海红高永林

山西建筑 2013年4期

苏海红高永林

(昆明理工大学，云南昆明 650500)

1 工程概况

该建筑体主要由体育馆、游泳馆和体育场看台雨篷结构三个单元体组成。其中体育馆和游泳馆同属一个结构分区，下部混凝土结构连为一体且超长约有180 m;看台雨篷属另一个结构分区，相对独立。

1)体育馆屋盖呈外端落地的不规则空间椭球壳形，椭球壳呈一侧高一侧低形态，低侧朝向游泳馆方向。屋盖水平投影的短轴直径为90.5 m，长轴直径为106.5 m，桁架结构中心延长线顶标高26.5 m，屋盖支撑在5.1 m标高的混凝土大平台上。屋盖中央设有半椭球壳形的玻璃采光顶，玻璃天顶中央标高为29.7 m。

2)游泳馆屋盖也呈外端落地的不规则空间椭球壳形，椭球壳呈一侧高一侧低形态，低侧朝向体育馆方向屋盖水平投影的短轴直径为54.1 m，长轴直径为 86.8 m，最高点标高为22.2 m，屋盖支撑在5.1 m标高的混凝土大平台上。屋盖中央设有半椭球壳形的太阳能采光板区域，中央最高点标高为23.4 m。

2 结构方案特点

根据屋面的建筑形态及下部结构可以提供的支撑条件，体育馆屋盖结构采用了向心形桁架结构体系(见图1)。整个屋盖结构由主受力平面桁架、内环桁架、中环桁架、外环桁架以及局部稳定桁架组成。该结构体系安全适用、经济合理，结构造型与建筑的艺术表现协调统一。在附加恒载和使用荷载作用下，主受力桁架和环桁架共同工作抵抗荷载，环桁架呈立体桁架使结构的整体性能大为改善，杆件截面得以优化，并有效减小支座侧向力和结构的竖向变形，实现对结构的受力和变形的主动控制。

图1 结构模型及典型主受力桁架示意图

其中主受力平面桁架由26榀平面圆管桁架组成，上弦桁架直径为299 mm的圆钢管、壁厚从8 mm～12 mm，下弦桁架为直径400 mm或325 mm的圆钢管、壁厚从8 mm～20 mm。由于建筑体形原因，下弦杆受力更大，因而杆件更粗。主桁架端部高度1.2 m(等同内环桁架高度)，中部转折处放大到约2.8 m，主桁架尾部落地部分桁架逐渐收尖，最后收为一点落地。环桁架为由内桁架、中桁架及外桁架组成，其中内环桁架与主桁架一起构成结构的主受力结构，内环桁架弦杆φ299 mm，腹杆φ114 mm。中桁架和外桁架为主桁架提供重要的平面外支撑，桁架高度2.5 m左右。环桁架高度均等同于相邻主桁架节间高度，其中外桁架标高距平台6 m，起重要的整体稳定作用。中心网壳主要由双向高度200 mm的矩形钢管组成，双向十字正交焊接，网壳上覆膜材。

游泳馆结构由22榀向心的箱形截面主钢架构成(见图2)，其中6榀主钢架为贯通型。中心也由箱形钢梁构成内刚性环，与外钢骨架相连。贯通的钢架能直接传递短轴方向地震力作用，另外一向则通过内刚性环传递长轴地震力作用。内刚性环中心为工字钢梁结构，上呈太阳能板。主钢架下端由箱形钢梁相连组成外刚性环，外刚性环型钢翼缘向外，主要承受结构的平面外弯矩。

图2 游泳馆屋盖结构

3 结构计算分析

3.1 计算分析模型与分析方法选择

由于5.1 m标高的混凝土大平台不设结构缝，导致该混凝土楼板超长。体育馆和游泳馆在混凝土大平台上各占一侧，更造成了本工程的特殊性，形成类似大底盘上双塔结构。为了准确全面分析屋盖的受力特征以及下部结构和屋盖之间的相互影响，特别是地震作用下整体结构的抗震性能，考虑以下两种分析计算模型:

1)整体计算模型，即体育馆、游泳馆和下部钢筋混凝土框架合并在一起作为一个整体分析模型，并模拟屋盖钢结构和下部框架结构之间的实际连接情况，采用软件SAP2000进行分析(见图3);

图3 SAP2000整体计算模型

2)分离计算模型，即体育馆和游泳馆以及活动中心各自作为单独的计算单元，钢结构支座部位按照铰接设计，求得支座反力作为荷载输入下部混凝土框架结构中进行内力分析。下部混凝土结构采用PKPM系列软件SATWE进行计算分析与设计，由于受到PKPM系列软件建模条件限制，SATWE模型很难如实建立屋盖钢结构构件，仅能以实腹钢梁替代(见图4)，因此在SATWE模型中，屋盖结构仅考虑其对大平台平面整体约束作用，荷载均由屋盖独立分析结果输入模型，上部钢结构屋盖采用同济大学设计研究院自主研发设计的钢结构计算软件3D3S对钢结构屋盖进行构件分析设计。

图4 SATWE结构模型

为考察下部混凝土结构对上部钢结构屋盖竖向刚度的影响，以及推力的变化，故采用SAP2000进行整体建模分析。

3.2 荷载取值及设计依据

1)屋盖钢结构计算总信息。

结构材料信息:屋盖为钢结构;

钢容重:78.5 kN/m3;

混凝土容重:26 kN/m3;

结构分析计算类型:线性分析;

竖向荷载计算信息:按实际作用在屋盖上的荷载进行加载;

风荷载计算信息:根据荷载规范进行加载;

地震力计算信息:计算两个方向的水平地震力和竖向地震力;

振型分解反应谱法，振型组合采用CQC;

地震烈度:8度(0.20g);

水平地震影响系数最大值:0.16;

场地特征周期:Tg=0.45 s;

屋盖结构阻尼比:单独分析取0.03，整体分析取0.05。

2)荷载取值。

a.结构自重:由程序自动加载并计算。

b.屋面恒荷载:体育馆:膜结构采光顶:0.5 kN/m2，屋面板:1.0 kN/m2;游泳馆:屋面板:1.0 kN/m2。

c.屋面活荷载:0.5 kN/m2荷载。对于体育馆，分满跨活荷载和半跨活荷载施加，半跨荷载分上半跨、左半跨和右半跨三种情况。

d.马道、灯具、音响、太阳能面板等设备荷载:根据设备专业提资，折算荷载约为4 kN/m。

e.风荷载。根据GB 50009-2001建筑结构荷载规范式7.1.1-1的规定，计算结构表面的风压标准值:

其中，βz为风振系数，取 1.3，计算周围雨篷钢梁时取 2.0;μz为风压高度变化系数，B类地面粗糙度，取1.25;μs为体型系数，迎风面取 0.8，背风面取－0.5，顶面取 0.8(压)和－0.8(吸)，弧度部分按照斜率选取;w0为基本风压，风荷载设计基准期定为100年，基本风压取0.35 kN/m2(B类)。

f.温度作用。考虑升温和降温各30℃，基本温度确定为20℃。

g.抗震设防标准:按《建筑抗震设防分类标准》《建筑抗震设计规范》，昆明理工大学体育中心按基本烈度8度，Ⅱ类场地及第二组地震分组(设计基本地震加速度值为0.20g)进行抗震设防，场地特征周期0.45 s。建筑物根据其重要性的分类为乙类。

h.其他设计标准。建筑结构的安全等级为一级，结构重要性系数γ0取1.1。结构设计使用年限为50年。