体育馆钢—混凝土组合结构设计与分析

逯 晓 强

1 工程概况及网架选型

本文选用山西省某体育馆作为分析模型，设防烈度为8度，地震加速度为0.2g。该馆长86.4 m，宽69.9 m。网架支座底标高为17 m，网架顶标高为26.45 m，X与Y向柱距均为4.1 m～8.5 m。由于建筑专业对体育馆大空间的要求，同时该体育馆作为地标建筑，该工程屋顶采用了沿长跨方向波浪形网壳，该馆的建筑和结构设计都展现了其独特的风格。

为保证下部混凝土结构整体刚度，本工程中在体育馆周圈和内部设混凝土框架柱，在框架柱顶设置混凝土环梁。体育馆周围网架支撑处设型钢柱，为了增加结构抗扭刚度，南北看台两侧各设置300 mm厚剪力墙。

该网架结构采用双层正放三角锥的结构形式，且在两个方向均采用悬挑形式，使受力更为合理，且能满足建筑专业的外形要求，而网架重力荷载小、造价便宜、刚度大、抗震性能好的优点也能得到体现，见图1。

2 计算模型的建立

传统体育馆设计常采用PKPM建立混凝土结构模型，用3D3S建立网架模型，分别计算，再将网架支座轴力作为节点荷载代入混凝土模型中计算。

混凝土结构屋面采用虚梁结合厚度为0的楼板进行分析，将上部网架进行了简化，仅认为单纯的荷载传递，忽略了网架的整体刚度，实际上网架平面内刚度较大，作为网架的支座生根点，框架柱的平面外长度较长，刚度较小，柱与网架相互之间影响是显著存在的，结构总体刚度为上刚下弱，框架柱难以有效的提供稳定支撑，对平面外的作用力(地震、风荷载、温度荷载)，框柱能起到的作用很有限，单纯的网架简化导致柱配筋偏小，整体位移比计算不真实。

而上部模型中网架采用刚性支座计算，与实际不符，网架模型中仅能模拟钢构件的重力荷载下的内力，而无法模拟支座位移以及温度效应下的应力。上部网架结构的质量大，整体侧向刚度大，水平地震作用下在支撑柱底部产生较大的弯矩；同时由于下部大空间的使用要求，支撑柱常具有较大的间距且不宜设置过多的柱间支撑，这就导致结构成为下柔上刚体系，不利于抗震设防[1]。

本文采用钢筋混凝土结构与钢网架整体组合计算的模型，并结合局部计算模型的结果，采用包络设计，对结构的薄弱位置进行了加强，从计算和构造两方面进行考虑。采用型钢混凝土柱，能加大柱的刚度，柱中钢骨又能直接与网架支座进行焊接连接，见图2。

3 支座类型

本工程采用周边支撑网架，特点是受力平均，传力路径简单。受力情况类似于框梁或整体式无梁楼板，为了使网架受力均匀，应参考框架梁或者无梁楼板的受力，网架设计成悬挑结构，使跨中正弯矩和挠度减少，满足了建筑专业的波浪形体要求，节约了造价。

模型中工况以地震效应为主，屋面网架由于跨度较大，温度作用也较为明显，需要适当释放温度应力。

网架结构是高次超静定结构，在均匀温度场作用下，由于杆件不能自由胀缩，会产生温度应力。网架的温度应力主要由支承结构阻碍网架温差变形而产生。对于网格结构，温度应力对结构影响很大。所以支座必须具有释放温度应力的能力[2]。

在选用支座时，人们考虑的是温度效应或恒活荷载，对支座的抗震性能考虑较小，在进行建模分析时也没有引入支座的隔震效果，网格隔震结构出现的很少。而在本工程中采用的铅芯橡胶支座把某些网架生根位置设计成隔震支座，可以在地震时，通过铅芯橡胶支座本身的橡胶变形减轻与消耗地震力，达到保护主体网架的作用。地震后，隔震支座可以更换或者检修。同时隔震支座可以限制支座的位移量在一定范围内，既能产生滑动，又有限位装置，保证结构的安全[3]。

本文采用铅芯橡胶支座与抗震球支座结合的方式支撑网架，支撑类型为周边支撑。在保证整体结构超静定约束的情况下，适当释放部分支座约束，在若干部位采用铅芯橡胶支座作为滑动支座，其他部位采用抗震球支座作为铰支座，将温度应力较大部位应力释放。

4 工程结果对比

采用盈建科软件共建立了2种模型进行计算分析:模型A为混凝土主体结构单独计算模型，模型B钢屋盖与下部结构的组合模型。根据对比分析可得，组合计算的模型其自振周期相对于单独混凝土框架结构的周期明显减小，说明网架屋盖起到了很大的刚度作用，对柱顶是有效的约束。单独混凝土框架柱顶为悬臂柱，虚梁与板很难对框架柱顶产生有效的约束，而网架平面内刚度较大，对约束框柱的平面外位移起到了较大的作用。且组合结构的3～9振型周期均较小，进而有效地避开了场地的特征周期。在1,2振型下两者差异并不大，说明主要周期还是与钢筋混凝土主体部分有关，屋顶网架能有效的约束柱顶的扭转变形，提高了抗扭刚度，后排周期衰减较快，保证了主要周期以两个方向平动为主，见表1。

表1 模型A与模型B的自振周期对比

根据对比分析可得，两个模型的最大剪力楼层均在首层，说明整体刚度自下而上线性变小，符合规范要求。组合计算的模型

其Y向地震剪力相对于单独混凝土框架结构的剪力明显减小，地震效应相应减小，在模型B具有较大刚度的基础上，地震剪力响应反而更小，说明模型布置较为合理，见表2。

表2 模型A与模型B的楼层剪力对比 kN

对比分析可看出，组合结构整体位移量均小于单独框架。网架支座对于位移很敏感，局部支座产生的位移量会对上部支座造成不均匀沉降，对超静定结构的内力产生不利的影响。由于本模型为大开洞板计算，不可采用刚性楼板假定，模型计算的层间位移角无实际意义，本表中未列入层间位移角的对比,见表3，表4。

表3 模型A与模型B的楼层X向水平位移

表4 模型A与模型B的楼层Y向水平位移

5 结语

本文通过结构设计软件盈建科，对体育馆下主体部混凝土结构模型与钢筋混凝土结构与钢网架整体组合计算的模型进行对比，并采取结构措施(增加型钢混凝土柱、设置铅芯橡胶支座)，通过对比分析，得出了结论：

1)下部钢筋混凝土结构与上部网架结构分别计算，局限性较大，无法真实反映工程情况整体组合模型能够较为真实的模拟实际受力模型。柱与网架节点处能够根据计算结果采用相应的加强措施。2)铅芯橡胶支座能够适当的释放温度效应，减小温度应力集中，并且能够起到保护主体网架的作用，地震力作用时优先受力，破坏后能够修复或更换，且具有其他网架支座所不具有的限制位移功能。3)框架柱作为框架的唯一抗侧力结构，应加强其构造措施。由于体育馆特殊形体的原因，框架柱平面外长度较长，上部为网架支座生根位置，采取型钢混凝土柱为比较可靠的结构加强措施。