关于大型体育馆网壳结构设计实例探讨

徐春娇

【摘 要】本文结合工程实例，主要针对某大学体育馆网壳结构设计要点，主要从结构受力特点、杆件及节点设计等方面进行了论述，旨在为公共建筑结构设计工作提供参考依据。

【关键词】体育馆；结构设计；大跨度钢结构；网壳结构

引言

在建筑结构形式中，网壳结构具有强度高、重量轻、组装简单、薄壳结构受力合理等优点，是大跨度空间结构中一种举足轻重的结构形式。这种结构广泛适用于复杂多变的建筑当中，不仅能够满足人们对建筑物的功能要求、感观要求，而且具有很好的经济效益，因此在大跨度公共建筑中得到了广泛的应用。本文结合工程实例，主要探讨某大型体育馆网壳结构设计要点，旨在为了大家提供借鉴。

1 项目概况

某大型体育馆，总建筑面积15300m2，建筑高度30m，主要由排球馆、篮球馆、乒乓球馆及配套用房组成。基础采用钢筋混凝土框架结构。本工程设计的使用年限为50年，建筑物重要类别为丙类，建筑结构的安全等级、耐火等级及屋面防水等级都为二级，抗震设防烈度为7度。

2 结构选型与布置

2.1 结构选型

合理的大跨度空间结构形式在满足建筑功能要 求的同时，还应具有安全耐久、结构轻巧、受力合理、经济适用、造型美观等特点。根据该体育馆的空间形体及平面形状，初步可选择的结构方案有4种：1）空间折板网架；2）辐射状空间桁架；3）平立面转折处采用空间桁架，顶部采用单层网壳结构，整体形成“空间桁架+单层网壳”的结构体系；4）平立面转折处采用空间桁架，顶部采用双层网壳结构， 整体形成空间管桁架-双层网壳复合结构体系。经分析可知，方案1显得厚重，且影响立面采光带效果；方案2桁架汇聚中心时需进行桁架归并处理，间断布置桁架从美观上看对顶部采光顶的视觉效果也有一定影响，且支座反力较大；方案3视觉效果较好，但由于顶部隆起处矢跨比很小，只有1/13，单层网壳的稳定问题极其突出。从美观上来讲，方案3优于方案4，方案4优于方案1、方案2；从用钢量要小、刚度要大、支座反力要小、稳定性要好的角度，方案1优于方案4，方案4优于方案2、方案3。综合分析，最终选择视觉效果及受力性能较好的方案4。

2.2 结构布置

体育馆主体钢结构是由24榀径向布置主桁架、5组环向封闭桁架与中部双层网壳组成的空间管桁架-双层网壳复合结构。为了增加屋盖结构在其平面内的整体刚度，在桁架上弦平面布设了交叉张紧圆钢支撑体系，使桁架与中间网壳及支撑系统共同组成了钢结构屋盖的超静定结构体系。主桁架下端铰接于混凝土看台柱上，支承间跨度79.1m，结构外轮廓尺寸93.3m，双层网壳跨度44.3m。

3 荷载及工况组合

设计荷载取值。静荷载标准值：屋面板及玻璃采 光顶自重0.7kN/m2，下弦吊挂荷载0.3kN/m2，且单点吊重不大于1.0kN；马道荷载1.2kN/m；活荷载：屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，雪荷载标准值为0.0kN/m2，二者取最大值；温度荷载：±20℃；风荷载：基本风压取 0.4kN/m2，风荷载体型系数、风压高度变化系数、风振系数按GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及经验取值；结构的风振系数取1.5，风荷载体型系数参照GB50009-2012做以下规定：体育馆顶面风荷载体型系数为-1.0，体育馆迎风墙面风荷载体型系数为+0.8，背风墙面风荷载体型系数为-0.5。本工程抗震设防烈度为6度。

基于以往工程经验，在荷載组合中考虑了静荷载、活荷载及不利布置、温度作用的影响以及四个风向下的风荷载，钢结构自重由程序自动计算。共考虑了70种荷载组合，这里仅列出主要的荷载组合工况：1）1.35恒+0.98活；2）1.20恒+1.4活；3）0.7恒+1.4风；4）1.2恒+1.4活+0.84风；5）1.2恒+1.4活+0.84风+温；6）0.7恒+1.4风+温。由于实际屋面板材料的重量存在较大的变异性，故在考虑风吸时，对静荷载和活荷载的分项系数予以适当折减。

4 结构设计

4.1 结构建模计算

钢结构的计算中采用了3D3S（10.0版）、SAP2000（V14版）、MIDAS/GEN V.80等多个计算软件建立了有限元模型，并对计算结果作了对比分析，钢结构自重由程序自动计算。根据结构布置的特点，采用了是否考虑与下部结构共同受力的2种不同计算模型。第一种为钢结构不与下部结构同时考虑的纯钢结构计算模型，底部为固定铰支座；第二种为钢结构与下部混凝土结构同时考虑的混合计算模型，钢结构与混凝土铰接嵌固。杆件单元选取时做如下假定：中间网壳杆件均为杆单元；对管桁架的杆件均为梁单元以及上、下弦杆为梁单元，腹杆为杆单元的计算模式分别进行了计算。采用SAP2000（V14版）进行钢结构与下部混凝土结构的混合模型计算，混凝土强度等级为C30，混凝土梁柱均选用梁单元。

计算分析可以得出：1）不同的计算软件所得的构件内力基本一致，结构变形形状与变形量接近。2）构件选用梁单元还是杆单元对设计结果影响不大，主要原因是管桁架-双层网壳复合结构只承受节点荷载的作用，各构件内力以轴力为主，弯矩较小。3）从荷载组合产生的内力结果来看，本工程主体钢结构是一规则多边形结构，活荷载不利布置组合工况不起控制作用。4）网壳中央部分上弦受压，下弦受压，该区域的受力体现了网壳的特征，网壳径向杆件最大压力为530kN。

4.2 结构振动特性

上部钢结构模型第一阶振型为整体X向平动，周期0.8032s，第四阶振型为整转周期0.3991s，扭转周期与第一平动周期的比值为0.497，小于0.85，满足JGJ7-2010要求；钢结构与混凝土整体模型第一阶振型为向平X动，周期0.9961s，第三阶振型为整体扭转，周期0.6955s，扭转周期与第一平动周期的比值为0.698，小于0.85，满足JGJ7-2010要求。

4.3 关键节点处理

上部网壳节点采用焊接球节点，空间管桁架采用管管相贯节点，弦杆截面贯通，腹杆焊于弦杆之上。桁架弦杆变径处采用锥头进行平缓过渡，尽量少设接头，以达到建筑美观要求。当杆件长度无法满足要求时，拼接节点采用全熔透等强对接焊缝，对焊时加短衬管，并磨平焊缝余高，达到与被连接材料同样的光洁度。空间管桁架弦杆转折处采用焊接球节点进行处理，最大焊接球尺寸为 D550×30，采用有限元软件ANSYS对该节点进行计算分析，根据节点分析结果可知，节点在设计荷载下大部分区域的等效应力不超过160MPa，表明此种节点具有较大的安全储备。

5 结束语

总之，随着建筑施工技术不断进步，大跨度公共建筑钢结构设计方案越来越多。因此，在进行钢结构建筑的设计时，首先应根据建筑结构的使用年限，建筑结构的安全等级以及抗震设防类别确定其基本要求。本文通过对某体育馆合理的选型分析设计，可将单一的网架、网壳、桁架等传统的空间结构形式替代为复合网格结构体系或其他结构体系，实现结构形式的创新和突破，进而提高大跨公共建筑结构的整体美观性、经济性和安全性。

【参考文献】

[1]邢立涛.浅谈钢结构设计中的稳定性分析[J].科技传播，2010 （16）.

[2] 张秋荣；杨文龙.关于钢结构稳定设计的初步讨探[J].黑龙江科技信息，2009（05）.