采用张弦梁屋盖的某大跨体育馆结构设计分析

苏志德， 蒋元成， 李 岩

(四川省建筑设计研究院， 四川成都 610000)

本项目建于四川省宜宾市，本文主要针对其中的体育训练馆做论述。体育训练馆地上二层，地下一层，建筑高度15.25m，建筑面积9 988.13m2，使用功能为大、中专体育教学用房，抗震设防类别为重点设防类。主体采用钢筋混凝土框架结构、主馆屋盖采用张弦梁结构，副馆屋盖采用大跨度钢梁结构。

1 结构体系、结构形式和布置

(1)该场馆主体结构采用钢筋混凝土框架结构，主馆屋盖采用张弦梁结构，副馆屋盖采用大跨度钢梁结构。

(2)该场馆整体为一个结构单元，未设置抗震缝，主要柱网尺寸8.6m×8.6m；该结构单元X向总长为110.7m，Y向总长为73.4m，两个方向均超长。

(3)该场馆场地左侧至右侧高差6m，底板标高-6.000m，上部、下部和左侧设置钢筋混凝土挡墙与主体框架结构形成抗侧力体系，右侧开敞与-6.000m标高室外场地相接；嵌固端为基础顶面。

2 抗震设计的计算与分析

该体育训练馆在SATWE中的整体计算模型如图1所示。

图1 SATWE中的整体计算模型

体育训练馆在小震作用下的整体计算指标如表1所示。

通过表1可以看出，本工程各项指标均满足规范要求。

3 楼板温度作用下的应力分析

因升温使得混凝土膨胀产生压应力，故本工程仅考虑降温对混凝土收缩产生的影响。降温工况下一层和二层的最大主应力如图2所示。

通过在降温工况楼板应力的分析下，可以得出如下结论：

在降温作用下，体育训练馆一层上部的楼梯间位置和下部两处凹形角点处最大主应力超过2MPa(图2中矩形框范围内)，最大值达到2.7MPa，超过C30混凝土的开裂强度标准值2.01MPa；其他各楼层楼板应力水平均未超过2.0MPa；

表1 主要计算指标汇总

(a) 一层(H=±0.000)

(b) 二层(H=4.500)图2 体育训练馆楼板降温工况下楼板最大主应力(单位:MPa)

主馆和副馆之间的二层连接楼板存在应力集中现象，其他楼板应力集中现象不明显。

针对以上楼板分析，应采取的加强措施：

(1)体育训练馆一层、二层楼板除悬挑板外板厚不小于120mm，配筋双层双向拉通设置且配筋率大于0.20 %；

(2)主馆和副馆一、二层连接处楼板板厚取150mm，配筋率大于0.25 %；

(3)一层最大主应力超过混凝土抗拉强度标准值的范围(图2(a)中矩形框范围内)采用通长筋+附加钢筋的形式，温度应力由附加钢筋承担。

4 体育训练馆主馆屋顶——双向张弦梁受力分析

4.1 采用模型和分析过程

采用SAP2000对主馆屋盖进行分析。其中，采用索单元模拟双向张弦梁、屋盖与下部主体结构的连接采用“弹簧”连接单元(弹性支座)。该屋盖属于对风恒载比较敏感的结构，基本风压取100年重现期的风压。屋盖与下部主体结构的总装模型和屋盖结构布置如图3所示。

4.1.1 整体模态分析

SAP2000在自重刚度下的模态计算与SATWE计算结果对比如表2所示。可以看出，SAP2000和SATWE软件在振型计算上基本吻合；SATWE软件中采用等代楼盖简化处理合适，不影响整体结构的计算。

表2 周期对比结果 s

4.1.2 小震弹性时程分析

时程分析选用小震弹性时程的地震波，下弦索编号如图4所示。通过时程分析，求得索在地震作用下的内力并与反应谱的结果相比较，如表3所示。

图3 屋盖与下部主体结构的总装模型和屋盖结构布置

图4 下弦索编号

以上对比可以看出，反应谱分析所得到的索内力比时程分析分析包络值内力偏大7 %左右，故采用反应谱方法进行设计是偏安全的。

4.1.3 主要构件分析结果

屋盖强度、稳定应力比如图5所示。可以看出，所有杆件的应力比均小于0.5。下弦索的最大张力为1 090kN；最小张力56.8kN；并且所有组合工况下，索均为拉力。本工程选用的索抗拉设计值：A·Fu/k=3739×1670/2=3122kN，满足计算要求。

屋盖最大竖向位移如图6所示。屋盖最大竖向位移(向下)发生在荷载组合1.0D+1.0L(满跨)时，位移值为172.6mm，对应1/290L，满足规范不大于1/250L的要求。

综上所述，此屋盖强度、稳定及变形均满足规范要求。

4.2 分析结论

通过上述分析，主馆采用双向张弦梁结构形式、与主体结构采用弹性球铰支座连接的屋盖结构形式在强度、稳定、挠度方面均能满足规范要求。

表3 反应谱和时程分析单工况索张力对比 kN

图5 屋盖强度、稳定应力比

5 结论

通过上述分析可以看出：

图6 屋盖最大竖向位移(1.0D+1.0L(满跨))

(1)本子项体育训练馆因建筑功能需要，未设置抗震缝。通过上述分析，该体育馆整体作为一个结构单元，各项指标满足规范的要求。

(2)体育馆因未设置抗震缝形成超长结构。通过楼板应力分析，其在温度应力作用下，大部分位置均能满足不开裂的要求，个别不满足的位置通过通长筋+附加钢筋的形式补强。连接较为薄弱位置的楼板采取适当加强措施。

(3)主馆屋盖采用张弦梁的结构形式。通过分析，该屋盖强度、稳定及变形均满足规范要求。支座采用弹性球铰支座，有效减小温度应力。采用的索相交节点处理方式能够保证索体在夹具中不滑移。