浅析长泰主体育场看台罩棚钢结构设计

蓝鹏飞

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361000)

1 工程概况

本工程位于漳州长泰县，项目包括展览馆、科技馆、综合体育馆、主体育场等。其中主体育场总长度约为249.5m，总宽度约为 246.3m，通过设缝分为四部分，总面积约为21439m2。东、西两侧为看台区(西侧看台为主看台)，下部为混凝土框架结构，上部看台顶部设有悬挑钢结构罩棚。西看台弧形总长度为 147m，径向尺寸宽度为22.9m，东看台弧形总长度为95.8m，径向尺寸宽度为22.9m(单跨柱距8.1m+悬挑长度13.8m)，檐口高度约23.700 m，沿弧形方向柱距8.633m。(单跨柱距8.1m+悬挑长度13.8m)，檐口高度约17.910 m，沿弧形方向柱距8.633m。主体体育场总效果图详见(图1)、东看台屋顶平面图见(图2)、西看台屋顶平面图见(图3)。本工程为丙类建筑，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地土类别为II类。基本风压为Wo=0.55kN/m2，地面粗糙度为B类。

图1 主体育场效果图

图2 东看台屋顶平面图

图3 西看台屋顶平面图

2 看台罩棚钢结构结构布置

根据体育场的建筑要求及下部建筑布置，通过对不同结构体系应用比较分析，最后确定采用双支点的悬挑式结构，悬挑式罩棚采用钢管立体桁架形式。

图4 罩棚结构示意图

图5 罩棚主桁架单元图

(1)主、次桁架:

结合下部看台结构，悬挑式主桁架利用看台下方的柱作为前后支点，形成力臂从而有效解决悬挑主桁架的抗倾覆问题。东(西)侧看台罩棚在径向沿着下部结构框架柱距布置12(18)榀主桁架单元，主桁架间距为下部柱网间距8.633m。主桁架截面形式采用倒三角立体管桁架(图4、图5)。

图6 罩棚次桁架单元图

在看台罩棚环向主桁架单元之间布置三道次桁架，其中两道为倒三角钢管次桁架，与主桁架弦杆在看台柱柱顶处相贯连接，既保证了主桁架环向荷载的传递，又为主桁架提供了可靠的防侧倾体系，减小了主桁架面外计算长度，有效发挥整个结构的空间作用。

在主桁架单元悬挑尾部部，次桁架的截面形式结合建筑此处设置环向检修马道要求，布置一道菱形次桁架(图6)，作为检修马道的通道，同时该桁架对主桁架端部侧向起到支撑作用，增强了整个罩棚屋盖结构的整体性和稳定性。

(2)屋面支撑系统布置

为加强屋盖系统的整体刚度，在主次桁架上弦间距布置了4道屋面水平支撑。屋面体系通过由主桁架、次桁架与水平支撑共同构成稳定的几何不变体系。

(3)屋面檩条布置及围护体系

本工程中屋面为彩色压型钢板屋面(双层彩板围护)，屋面檩条采用C型镀锌檩条。在屋面檩条布置时，考虑到本工程结构为敞开式结构，风荷载作用影响比较大。参考《荷载规范》及其它工程的风洞试验报告等相关资料，檩条考虑在屋盖端部及边缘区域构造加密，以保证屋面围护及檩条等在风荷载作用下的抗风能力。

(4)下部看台框架柱

看台罩棚下为多层混凝土框架结构的看台及用房，根据建筑外观效果要求，看台以上部分框架柱为圆柱。由于下部为混凝土结构，上部看台罩蓬为钢结构，考虑到上下部分的连接等处理，本工程中看台框架柱采用钢管混凝土柱截面。钢管混凝土柱下端往下延伸一层插入混凝土框架柱内形成刚接柱脚(图7、图8)。

图7 东罩棚结构剖面图

图8 西罩棚结构剖面图

(5)主要构件尺寸

主桁架(倒三角钢管立体桁架):上弦管Φ203×10，下弦管 Φ351×16，腹杆 Φ133×5;

次桁架1(倒三角钢管立体桁架):上弦管Φ76×6，下弦管Φ121×5，腹杆 Φ68×4;

次桁架2(倒三角钢管立体桁架):上弦管Φ121×5，下弦管 Φ121×5，腹杆 Φ95×4;

水平支撑:Φ114×4;

钢管混凝土柱:Φ500*20(C35)

檩条:C280×70×20×3.0

桁架钢管均采用热轧无缝钢管(Q345B)

3 罩棚荷载条件

(1)恒荷载:彩板板及檩条等自重0.35kN/m2、;马道及灯具等重量1.80kN/m;

(2)可变荷载:屋面活荷载0.3kN/m2(整体计算桁架);屋面马道活荷载2.0kN/m2;

屋面虹吸排水荷载3.5kN/m。

(3)风荷载:基本风压0.55kN/m2(重现期为50年)，场地粗糙度类别为B类。

一般对于造型复杂或规范上未明确给出的体型系数的和风振系数的结构，需通过风洞试验或者CFD数值模拟结果确定风压分布，从而为主体结构风荷载提供准确的设计依据。本工程中由于条件限制，参考相关资料及国外规范要求，对本工程中的悬挑罩棚风荷载体型系数取值考虑为:风吸取－2.0，风压取1.3;

考虑到本罩棚为悬挑型大跨屋盖，同时屋面质量较轻，按照荷载规范要求考虑风振问题，风振系数有风荷载作用下由软件结构动力计算得出。

(4)温度作用:温度应力按±15度考虑。

(5)地震作用按照《建筑抗震设计规范》的相关规定考虑，并考虑进行竖向地震作用下验算。

4 罩棚钢结构计算分析

本工程中罩棚钢结构结构分析采用同济大学编制的3D3S(V11.0)钢结构系统软件进行计算分析。

主桁架(倒三角钢管立体桁架)桁架截面高度为1.8m，宽度为1.8m;次桁架(倒三角钢管立体桁架)桁架截面高度为1.8m，宽度为1.8m。

(1)计算模型的假定说明

根据《钢结构设计规范》第10.1.4条要求及《空间网格结构技术规程》第4.1.4条规定，本工程立体桁架模型计算分析时腹杆与弦杆按照铰接与刚接两种模型计算对比并按照双控包络设计。

(2)立体桁架的计算长度取值考虑

根据《空间网格结构技术规程》第5.1.2条要求，立体管桁架受压杆件的计算长度系数取1.0。本工程中分析主桁架时取节间长度进行计算设计。考虑本工程中主桁架有较大的悬挑长度，主桁架下弦在荷载作用下会出现受压情况，主桁架设计时按取面外次桁架间距长度进行复核验算。

(3)3D3S电算结果分析控制

图9 西罩棚变形云图

本工程钢结构杆件在所有组合作用下的应力比等都控制:主次桁架弦杆控制在0.8以下，其他杆件控制在0.85以下，对于支座处的主桁架腹杆给予加强考虑。

本工程罩棚钢结构变形为恒载+活载+风压组合作用下时主桁架端部挠度最大，其最大挠度为12800÷82.307=155.5＞125(整体位移要求)，悬挑罩棚满足悬挑结构＞1/125的要求，变形图如(图9)所示。

5 节点连接设计

在立体桁架结构中，采用杆件直接焊接的相贯节点外形简洁，能较好地满足建筑外观要求。管桁架中相贯节点连接是尤为重要节点，本工程主次桁架连接节点均采用相贯节点连接，节点示意如(图10)所示:

图10 典型相管节点示意图

对连接节点均按照《钢结构规范设计规范》相关要求进行复核。对于主桁架与下部钢管混凝土柱连接节点，由于规范中没有给出明确的算法及计算公式，考虑到此节点的重要性及节点处理特殊性，故采用ABAQUS有限元分析软件进行建模分析。由于此连接节点在不同工况荷载作用下会出现受拉、受压，设计时提取计算模型的节点内力进行有限元计算分析。根据计算结果，钢管柱与主桁架下弦管通过相贯连接焊缝能够得到有效传递，在连接节点角部出现局部应力集中，在节点构造上通过加设竖向加劲肋加强竖向力的传递及节点的承载能力及变形能力。节点模型及构造大样图如后(图11)所示。

在钢管混凝土柱内中间柱柱对接处设置十字加劲肋，十字加劲肋插入钢管内混凝土的长度按照两者之间的粘结力保证受拉、受压作用下的内力传递设计计算，起到节点的二道防线措施。

6 结束语

通过本工程的看台罩棚的结构布置、荷载分析、整体结构计算比较、节点连接等结构设计分析，对于后续类似工程有以下方面几点可供参考注意:

(1)对于悬挑看台罩棚结构需根据建筑及下部看台结构情况进行结构体系比较确定并进行合理的结构布置;

(2)悬挑看台罩棚结构抗风设计应给予注意重视，对于不同结构的风荷载体型系数需给予具体分析考虑;

(3)立体管桁架的计算假定及模型分析应进行包络设计，按照不利值计算设计;

(4)对于支座等特殊节点应给予重点设计，进行详细分析以确定节点构造措施，以保证节点的安全;

本工程设计及本文编写均得到本院技质部肖伟总工、杨玛莎总工、张树传总工及同事陈德平、陈跃辉等大力指导，谨在此表示感谢!

[1]GB50017－2003，钢结构设计规范[S].

[2]JGJ－2010，空间网格结构技术规程[S].

[3]GB50011－2010，建筑抗震设计规范[S].

[4]GB50009－2012，建筑结构荷载规范[S].

[5]丁洁民，张峥等.大跨度建筑钢屋盖结构设计选型与设计[M].同济大学出版社.