体育馆建筑结构设计分析
2017-06-01丁艳梅向代勤
丁艳梅 向代勤
体育馆建筑结构设计分析
丁艳梅 向代勤
Ti yu guan jian zhu jie gou she ji fen xi
体育馆属于特殊的结构设计类型。这类结构一般中间为体育活动场地，四周为斜楼板的看台或是狭长的走廊，顶部一般为大跨度的网架、桁架或其他钢结构，这类结构与一般结构计算时有很多不同，本文结合一个工程实例对体育馆的结构设计进行了科学的分析和阐述。
一、项目概况
拟建的体育公园项目规划用地位于福建省某工业园区。由体育馆、游泳馆、训练馆及商务中心组成。结构形式：建筑结构形式主体为框架结构，屋盖系统为大跨度空间桁架结构。
二、结构设计分析
1.自然条件分析
本工程所在地区自然条件有关参数取值如下：
（1）基本雪压：50年一遇的基本雪压0.25 kN/m2。
（2）基本风压：50年一遇的基本风压 0.35 kN/m2，地面粗糙度为B类。
（3）抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。
（4）地质条件：
①根据地质资料及场区环境和地质勘察报告建议，本工程训练馆基础采用冲孔灌注桩。直径φ800mm，桩混凝土强度等级为：C30，冲孔灌注桩以中风化粉砂岩为桩基持力层，桩端进入持力层深度1.0m，单桩竖向承载力特征值为2000kN。游泳馆、体育馆和商业平台的基础拟采用独立柱基加墩基，以中风化粉砂岩或强风化粉砂岩为基础持力层。地基承载力特征值分别为fk=1200kPa或fk=300kPa）。
②本工程建筑场地类别为Ⅱ类，场地土类型为中硬场地土，场地特征周期为0.35s。
③本场地内存在厚度较大的软弱土层，且体育馆的东北侧存在边坡，故场地属于抗震不利地段。
④场地内无活动性断裂带通过，属区域稳定区，未见滑坡和崩塌等不良地质现象，场地内无隐伏沟浜、池塘、古井等对地基安全不利的地下埋藏物，适宜本工程的建设。
⑤场区地下水主要赋存于素填土中，大气降水是场地地下水主要补给来源。场区地下水对混凝土结构和混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性；场地土对混凝土结构和混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。
⑥本地区抗震设防烈度为6度，可不考虑砂土液化问题。
2.结构设计标准
（1）本工程建筑结构设计使用年限50年。
（2）建筑结构安全等级二级。
（3）建筑抗震设防类别：标准设防类（简称丙类）。
（4）工程地基基础设计等级：乙级。
（5）地下工程防水等级为一级。
（6）建筑防火分类为一类；建筑耐火等级为一级。
3.荷载标准值
主要活荷载标准值见下表，其它未列项目按现行规范、规程及标准。有特殊使用要求荷载由业主提供。
4.楼面恒荷载标准值
楼面恒荷载包括内外填充墙、粉刷、各种装修荷载，结构设计时根据建筑装饰做法据实统计后输入计算机进行计算。
三、结构特点
对于大空间结构，存在支撑屋盖的框架柱高度较大（23.0 m），且为单排柱或局部单跨框架（局部看台及辅助用房存在单跨框架），大跨框架柱柱底与基础为固接，柱顶与网架结构铰接；看台斜板对结构有推力，对结构整体抗震有影响，设计时不能忽略其影响；楼板开大洞口且刚度有限。结构设计时对于重要的支撑大跨网架的框架柱应进行性能设计，根据抗震设计规范总则的要求，建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，一般不损坏或不需修复仍可使用，当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。为此，针对中小型体育馆等大空间结构设计需关注的设计要点和大家一起探讨。
四、结构计算分析软件及主要结论
采用两种不同软件进行结构分析：上部结构整体计算及基础计算采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件”SATWE（V2.2 版）、JCCAD，采用北京盈建科软件股份有限公司“多、高层建筑结构空间有限元计算分析与设计软件YJK”进行复核计算；网架工程采用空间网架结构设计软件SFCAD2006进行满应力分析设计。
STAWE进行计算分析时，钢网架屋面采用钢梁铰接挠度相等的原则简化计算。YJK进行下部结构和网架结构的整体补充计算分析，准确地计入网架结构刚度对下部结构的影响。通过上述计算软件分析，本工程结构振动周期的前两个周期以平动为主，第三周期以扭转为主，第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.81，满足规范要求。结构振型曲线及位移曲线连续光滑。底层剪重比、位移角、结构扭转位移比、柱轴压比、竖向刚度比等主要结构特征参数均满足规范要求，且在合理范围之内。本工程结构布置基本合理，结构计算有效。
五、工程结构设计要点及加强措施
该工程梁、柱、板、基础混凝土强度等级C35，梁、柱、板钢筋均采用HRB400 级热轧钢筋。框架柱截面尺寸1200mm×1500mm。根据上述结构特点，结构设计时须做以下加强计算分析及抗震加强措施：
1.采用两种不同软件进行结构分析：上部结构整体计算及基础计算采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件”SATWE（V2.2 版） 、JCCAD，采用北京盈建科软件股份有限公司“多、高层建筑结构空间有限元计算分析与设计软件YJK”进行复核计算；网架工程采用空间网架结构设计软件SFCAD2006进行满应力分析设计。STAWE进行计算分析时，钢网架屋面采用钢梁铰接挠度相等的原则简化计算。YJK进行下部结构和网架结构的整体补充计算分析，准确地计入网架结构刚度对下部结构的影响。
2.对于构件的配筋采用SATWE及YJK计算结果的包络值设计。
3.对周边支承网架的框架柱按中震不屈复核抗弯承载力，中震抗剪弹性复核抗剪承载力的性能设计。周边支承网架的框架柱，抗震等级提高一级，为特一级。同时满足大震下弹塑性层间位移角小于1/50的要求。
4.支撑网架屋盖的框架柱应采用型钢混凝土柱；周边支承网架的单边梁宜按正截面中震不屈服、斜截面中震弹性设计，周边梁按通长配筋。
5.整体计算模型应考虑钢屋盖和下部结构共同工作；楼板整体性很差，应增加按空楼板模型计算，并与有楼板模型结果按包络值设计。
6.增加按单榀框排架计算模型，并与整体模型结果比较按包络值设计。
7.看台斜梁与上、下楼层整体连接，计算时应按斜梁输入，考虑其斜撑刚度；屋面高度有高差，在计算时应按实际情况考虑。
8.网架屋盖进行竖向整体抗震验算。
六、结语
综上所述，体育馆的结构设计是一项综合性的工作。本文根据具体的工程项目，进行了科学分析，以此提高体育馆整体的结构质量。
（作者单位：丁艳梅，宜昌市建筑设计研究院；向代勤，宜昌市住房和城乡建设委员会）
