体育馆钢桁架防连续倒塌分析与机理研究

郑正飞

（中国江西国际经济与技术合作有限公司，江西 南昌330000）

时代的进步与发展促进了建筑行业的大规模化发展，对我国经济的可持续发展发挥着不可替代的作用。与此同时，一些大工程、大项目建设越来越受我国的格外重视，并对大工程、大项目建设提出了更高的要求。如体育馆工程的建设，在注重其美观实用性时，还尤为重视体育馆建筑的安全性。然而，由于体育馆钢桁架的设计难度加大，一旦设计和施工不合理，就会造成连续倒塌的安全隐患。所以，如何做好体育馆钢桁架防连续倒塌的设计工作依然是值得探讨的一个问题。因此，论文对体育馆钢桁架防连续倒塌分析与机理研究有一定的现实意义。

1 体育馆钢桁架防连续倒塌的设计

湖北省奥林匹克体育中心主要有主桁架、悬梁结构两个部分，中心占地面积1000 亩，总建筑面积14 万平方米。主桁架的斜腹杆和上下弦以箱形截面为主。休息厅楼盖以主次钢梁结构为主，体育馆的楼面荷载，主要是从次梁向封边钢梁方向传递，之后在吊柱作用下于悬挑桁架上吊挂封边钢梁。湖北省奥林匹克体育中心的屋面悬挑桁架的构成有两个部分，也即是斜腹杆和上弦杆。这一体育中心的构造不仅保证了建筑空间的使用功能，也突出了建筑的独特造型。

1.1 体育馆防连续倒塌设计方法

一般来说，体育馆防连续倒塌设计有专门的层次，第一个是事件控制法，第二个是间接设计法，第三个是直接设计法。就间接设计法而言，实质上就是概念设计。就直接设计法而言，主要包括了构建拆除法和关键构件法。当前接口抗连续倒塌设计中，都有着特有的设计规范。在构件失效准则上，湖北省奥林匹克体育中心通过采用相关变性准则，对构件是否失效进行判定。截面受剪构件的判定，以强度准则来判断。由于构件结构非常重要，在GSA 2005 标准的规定下，一般以防护级别高的构件作为限值。受拉构件延性系数为10，受弯构件界面塑性铰的转角为6°，受压构件延性系数为2，截面剪力抗剪极限承载力最大时，就能判断构件失效。桁架结构的倒塌限制，如果和失效构件连接的平面无连续倒塌现象，就会向相邻跨渐渐地卸载荷载。确切来说，整体结构倒塌的标准，一般是依据出现不可接受的大变形为主，也会以结构直接失效为准。对此，湖北奥林匹克体育中心在考虑到结构的重要性，变形限值的挠度是1/100。湖北省奥林匹克体育中心的防连续倒塌设计，选用性能等级非常高的消防材料，这就不用考虑火灾引起的偶然事件。同时，节点带有抗震设计，在正常使用时，其荷载工况能力极强。

1.2 体育馆防连续倒塌概念设计

1.2.1 体育馆主桁架系统的设计

湖北省奥林匹克体育中心的一榀桁架失效后，两端支承柱出现坍塌，这时候要借助于备用路径重新分布内力。通过在主桁架三分之一跨度的位置，设置纵向稳定桁架两道，只要中间榀桁架失效，这时候就能立即和稳定桁架相连接，其荷载就会向两侧桁架卸载。边榀桁架失效时，辅助稳定桁架就会重新分布内力重[1]。同时，桁架支座失效时，这时候会向封边桁架重新完成内力重分布。这说明，主桁架构件在设计时，应给予高度的重视。掌握主桁架上下弦杆的内力重变化情况，可对桁架内力的变化过程进行分析，并做好内力重的重新分布。毕竟，主桁架上下弦杆的变化，主要是从支座逐渐向跨中增加，腹杆是从支座位置向跨中减少，拉杆力明显少于压杆力。

1.2.2 体育馆悬挂结构系统的设计

湖北省奥林匹克体育中心的悬挂结构系统设计，要从悬挑吊挂结构传力说起。一般来说，悬挑吊挂结构在传力过程中，有单线程传力特点，只要有一个环节构件失效，这时候就会中断传力。对此，吊柱传力应给予高度重视，并格外关注悬挑桁架的功能。悬挑桁架端部的平面，一般都设置了连系梁，当悬挑桁架功能失效，可借助于连系梁的作用进行拉结，这时候吊柱就会向一侧桁架卸载荷载。传力系统离不开吊柱，吊柱是传力途径顺利进行的关键。这时候应采用关键构件法，但是预期效果可能不佳。就湖北省奥林匹克体育中心而言，通过在吊柱内设置了高矾索作为吊柱传力的替代品。这主要是因为高矾索不仅有预先张拉力，更有竖向刚度，对连续倒塌的动力效应有一定的缓解效果。

2 体育馆钢桁架防连续倒塌的内力重分布机制

由于湖北省奥林匹克体育中心钢桁架结构非常复杂，有主桁架和悬挂结构系统两个部分。在分析其防连续倒塌的内力重分布机制时，要从主桁架内力重分布及悬挂结构系统的内力重分布两个方面说起。具体来说，如下所示：

2.1 主桁架内力重分布

湖北省奥林匹克体育中心的主桁架内力重分布过程中，以非线性结构动力的响应为主，当结构杆件失效，就会有一个新的内力重分布机制。当新的内力重分布机制和静力分析符合时，其主桁架内力重分布的动力就会非常明显，且局部变形需求和内力都是非常大的。非线性结构动力效应有一定的变化特点，当邻近初始失效杆件周围的杆件动力效应大时，如果和初始失效杆件的位置很远，这时候就会有着越小的动力效应。主桁架中有任何一处构件失效了，附近的构件就会有着突然变大的弯矩，并出现变形，有着塑性铰趋势，以至于内部内力重分布发生改变。主桁架上弦杆失效后，下弦杆及腹杆都会出现塑性铰趋势[2]。当支座处的上弦杆和下弦杆失效，这时候对应于桁架另一侧的杆件就会有着越来越小的内力，便增加了跨中弦杆的内力。跨中弦杆内力失效，就增加了边跨弦杆的内力。当桁架和屋面钢梁稳定时，跨中弦杆初始失效的话，这时候跨桁架的荷载会渐渐地向相邻跨桁架卸载。跨中区域的弦杆初始失效时，内力重分布明显，且其变化明显要大于边跨弦杆初始失效时的内力重分布。主桁架剪力小时，跨中腹杆失效，内力重分布变化并不十分显著。通过设置稳定桁架、封边桁架、屋面刚接钢梁，可促进主桁架内力重的重新分布，也避免了主桁架引起的整体连续倒塌。

2.2 体育馆悬挂结构系统的内力重分布

边跨吊柱失效后，传力途径被中断。一侧封边钢梁的内力重分布能力有限，以弯曲失效状态存在，连续倒塌就会发生。这时候，要想防连续倒塌，就要不断地加强备用传力途径，利用关键构件。可采用候补传力途径，在吊柱内增设高矾索为二道防线，只要节点不会失效，就能遏制连续倒塌机制。对此，湖北省奥林匹克体育中心在吊柱内衣高矾索作为二道防线，通过加强吊柱上下节点的设计，以便于荷载作用下节点的强度足够大。杆件失效后，这时候相邻构件的弯矩会变大，以至于杆件弯曲变形，出现塑性趋势。杆件失效之后，增加了相邻构件在杆端的弯矩，弯曲变形十分明显，塑性铰出现，并出现相应的内力重分布。悬挑桁架失效后，这时候内力重分布非常明显，这是因为当悬挂桁架失效后，明显大于吊住初始失效的内力争分布，并阻断结构连续放倒塌破坏[3]。同时，封边钢梁对结构整体内力重分布作用明显，同时悬挑桁架端连系梁对于结构整体内力重也有着至关重要的作用，可避免个别杆件失效引起的整体连续倒塌。

综上所述，体育馆钢桁架防连续倒塌的设计与掌握内力重分布十分重要。在钢桁架防连续倒塌的设计中，应分析整体结构构件的功能作用，判定整体结构的关键构件，提高结构的冗余度，保证多荷载传递路径。与此同时，掌握内力重分布时，应分析杆件间的节点，仔细分析杆件间弯矩的实际抵抗能力，并避免杆端出现塑性铰趋势。总之，体育馆钢桁架防连续倒塌应高度重视主桁架内力重于悬挂结构内力重的分布特点，提高体育馆钢桁架防连续倒塌的强度，最大限度上保证体育馆的安全。