某健身中心钢屋盖结构的设计与分析①

马 清

(同济大学建筑工程系，上海 200092)

1 工程概况

体育馆屋盖主体呈现椭圆形态，以纵向中轴线左右对称.屋盖投影的纵向最大长度为130.7m，横向最大宽度为106.1m，屋面的最高标高为31.4m.四周立面幕墙下包至10.8m的大平台上，比赛馆最大跨度77m，采用张弦梁结构.立面由斜钢柱提供竖向支撑，兼做外幕墙的主结构框架.尾部以飘带形式延伸至商业中心.结构体系为:下部钢筋混凝土框架+上部钢结构屋盖+立面倾斜钢柱，效果图见图1.

2 体育馆钢屋盖结构布置和选型

2.1 体育馆结构选型

该体育馆最大跨度为77.7m，且中间跨拱起的矢跨比f/L约为1/23，远小于常用网壳结构的最小矢跨比1/10，故网壳结构不适用于此工程.最终采用张弦梁结构体系时，为了释放上部结构的温度应力和减小上部结构对下部混凝土结构的支座推力，采用部分两端滑动，部分一端滑动、一端铰接的支座形式.

2.2 体育馆结构比选

该体育馆屋盖部分分为主体育馆比赛馆和训练馆.在常见的空间结构中，单层壳体结构造型轻盈美观，视觉效果良好，但由于本工程跨度较大(最大跨度为77.7m)，壳体结构的正常使用性能受到限制;桁架结构造型多变，传力合理，且适用跨度较大，适用于本工程;张弦结构使各种不同受力性态的结构体系协同工作、刚柔并济，从而最大程度的发挥材料的潜力、结构受力合理、建筑造型新颖，尤其在大跨度结构中应用广泛，同样适用于本工程.接下来就桁架结构和张弦结构的五种方案比较优劣，以确定最合理的结构方案.

表1 方案比选

经上轮比选，方案B3正交张弦梁(单索)优点明确，缺点几乎忽略，故暂定为方案B3.

2.3 体育馆结构布置及优化

该体育馆屋盖分为比赛馆和训练馆屋盖两部分，见下图.

图1 健身中心效果图

图2 三维模型

2.3.1 比赛馆中央屋盖

采用张弦梁结构，中间最大跨度为77.7m.初始方案为全跨张弦梁，主梁采用矩形管600×300×16×25，下方布置两个竖向撑杆和一个V型撑杆，次梁为正交.立面如图3所示.改进方案为:张弦梁拉索内收8～9m，撑杆改为3或者4根竖杆，最大高度3.5m.沿纵向设置弧形次梁.改进方案在反拱和挠度同时满足要求的情况下，索拉力明显减小，并且可以大大减小跨中挠度，增加净空，视觉效果更加简洁明了.适当增强了支座处张弦梁的截面，更好地抵抗了弧形张弦梁因拱效应而产生的支座推力，并且造型柔和，更加优美.经对比可知，撑杆为3或4对结构整体性能影响不大，故选用造型更加简洁的撑杆为3.

图3 张弦梁原始方案

图4 张弦梁改进方案1

图5 张弦梁改进方案2

2.3.2 训练馆屋盖

体育馆尾部为训练馆屋面，它倾斜度较大，中间沿纵向采用四榀张弦梁，每榀张弦梁中间布一道4m撑杆，两侧采用单梁，横向设置次梁提供平面外支撑.由于训练馆屋面倾斜度较大，短跨最大长度为26m，采用张弦梁可以很好地满足要求.配合整体屋盖的效果，形式优美.

3 结构关键问题分析

3.1 静力分析

通过提取结构在典型荷载组合:1.35D+0.98L下的杆件轴力、弯矩，得到以下结论.

(1)在竖向荷载作用下，比赛馆屋盖以张弦梁受力为主.弧形张弦梁发挥了较大的拱作用，整体受压.在支座处，适当加强张弦梁截面，使得支座处的梁截面能更好的抵抗主梁的拱效应引起的支座推力.张弦梁两端的加强梁发挥了桁架的作用，上端梁受拉，下端梁受压.

(2)训练馆屋盖张弦梁的拱作用比较明显，整体受压，在撑杆处出现反弯.

(3)次梁在与纵向两端与边梁连接处，弯矩较大.

(4)立面钢梁梁作用比较明显，弯矩较大，立面钢柱整体受压.

3.2 伸缩缝处理

由于整个结构平面超长，下部混凝土结构在通廊部分，通过设缝将体育馆和商业裙房分开为两个单体.屋盖钢结构通过在牛腿上设置滑动支座，也分为两个屋盖，分缝位置示意如下图.该缝兼具伸缩缝和抗震缝的功能.

图6 伸缩缝位置

上图表示飘带与商业区屋盖的分缝位置，飘带梁通过4个双向滑动的抗震球形钢支座连接与商业区的钢管柱顶牛腿上.为考察该缝在大震作用下的滑程是否满足要求，对滑动支座的滑程量进行大震作用下的反应谱分析如下:体育馆屋盖温度缝两侧滑动支座相对滑移(1.0G+1.0EQ3)(反应谱分析)

注:G表示重力荷载代表值，EG3D表示双向大震作用.

上表说明，柱顶偏移量X向最大为39mm，Y向最大为43mm，双向滑移的矢量和最大为45mm，小于抗震球形钢支座的滑程限值70mm，即支座滑移量满足要求.

图7 未安装次梁时结构受力图

图8 安装次梁后结构受力图

3.3 施工模拟

假定以下主要施工顺序:

第一步:在主梁下设置至少三个塔架支撑，并通过缆风绳等措施保障主梁的侧向稳定性.考察变形和应力比，均可以满足.

由上图可知，ZLb，ZLc，PDZ1，PDZ2 受力较大，列表如下，其余构件受力很小.

第二步:在主梁下设置至少三个塔架支撑，同时安装次梁保障主梁的侧向稳定性.考察变形和应力比，均可以满足.

第三步:开始张拉拉索.使主梁脱离塔架，结构自身成立.

施工时注意事项:

①吊装主梁时应通过合理措施保障主梁的侧向稳定性

②高空焊接应有有效措施保障焊接质量

③拉索张拉应由具有资质的专业张拉公司进行，先完成施工张拉模拟计算，提交设计院审核，再完成施工张拉方案，组织专家评审通过后，方可进行施工张拉.

④张拉过程中应有完备的变形和索力监测

⑤业主应组织独立第三方进行焊接质量监测，作为竣工验收的一部分.

图9 荷载位移曲线

图10 中央屋盖塑性发展图

3.4 结构弹塑性分析

1)结构弹塑性极限承载力

在ANSYS中，同时考虑结构几何非线性和材料非线性，采用经典的双线性随动强化模型，假定材料为理想弹塑性材料，符合von Mises屈服准则，屈服应力为345N/mm2，得到结构的荷载位移曲线如下:

上图表明临界荷载因子为3.66，结构最终是由于杆件较多进入塑性而无法继续承载，为强度破坏.故强度破坏之前结构并未发生整体失稳，表明极限承载能力较强，结构整体稳定性较好.

2)塑性发展机制

跟踪结构的塑性发展机制，如下表，结构达到极限承载力时的应力分布如下图:

4 结语

(1)本文重点介绍了某体育馆主馆的钢屋盖结构设计及方案比选，对结构关键问题进行了分析.结构结构布置合理，传力途径明确，受力合理.

(2)张弦梁采用改进方案，减小了张弦跨度，根部主梁适当加强，造型更加简洁明了、美观.

(3)由于跨度过长，温度应力影响很大，本结构通过在牛腿上设置滑动支座将钢屋盖分为两个单体，该缝兼具伸缩缝和抗震缝的功能.

(4)本结构为张弦梁结构，施工顺序很关键，通过施工模拟，初步确定施工过程中，结构安全.

(5)经过优化设计，该体育馆主馆的钢屋盖用钢量为53kg/m2，总体的用钢量为58kg/m2.

[1]罗永锋，韩庆华，李海旺.建筑钢结构稳定理论与应用[M].北京:人民交通出版社，2009.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ 61—2003J 258—2003网壳结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[3]沈祖贤，陈扬骥.网架与网壳[M].上海:同济大学出版社，1997.