毛里求斯综合体育中心游泳馆钢结构分析与设计

房鹏鹏，郑春林

（中国京冶工程技术有限公司，北京100088）

1 工程概况

本工程位于毛里求斯首都路易港。综合体育中心拥有综合体育馆、游泳馆、体育场和足球场。该中心是毛里求斯最大的体育中心，也是首个达到国际标准的体育场馆。2019 年7月，第十届印度洋岛国运动会在该中心举办。游泳馆为中国政府试点采用受援国自建模式建设的经济援助项目，其中建筑方案设计为南非公司，结构方案设计为英国公司，中方为深化设计单位，结构专业需将欧洲钢材替换为中国钢材，并按欧洲标准进行施工图设计[1，2]。图1 为游泳馆现场施工照片。

图1 游泳馆现场施工照片

2 屋盖结构体系

整个钢屋盖（见图2）由4 个钢筋混凝土方形空心柱支承，柱距66.65m×46.96m，柱截面尺寸2.5m×2.5m，柱壁厚0.4m。屋顶最高点离地面高度约19m。钢屋盖平面尺寸为69.2m×49.51m，上弦面为双坡屋面，坡度1：47.6（相对高差700mm）；下弦面为反对称双曲面；采用平面桁架体系，由2 榀相同主桁架、13 榀不同的次桁架及若干联系构件、支撑组成。平面主桁架轴线高度最大4.34m，最小3.35m；次桁架根据造型高度在2.67～4.72m 变化。桁架与混凝土柱顶之间采用商品铰支座，其中西南位置为固定铰支座，东南位置（释放东、西方向位移）与西北位置（释放南、北方向位移）为单向滑移支座，东北位置为双向滑移支座。

图2 屋盖三维轴测图

3 分析条件及设计要求

3.1 荷载及作用

根据外方SPEC（技术说明）要求，结构分析中考虑如下荷载：（1）结构自重：由计算程序自动计入；（2）恒载：金属维护系统屋面0.70kN/m2，吊顶0.30kN/m2，墙面0.50kN/m2，马道1.0kN/m；（3）活载：屋面0.50kN/m2，马道1.5kN/m，排水沟4.0kN/m；（4）风荷载[3]：考虑50a 重现期的峰值速度风压取3.3kPa，结构系数取1.0；压力系数：迎风面0.8、背风面0.5、侧面0.7、上下面净压力系数取-1.4 与0.5 2 种情况；（5）名义水平力：重力荷载值的0.5%；（6）强制位移：每个混凝土柱考虑竖向收缩及基础不均匀沉降30mm，柱顶任意方向考虑侧移50mm，并做不同排列组合；（7）温度作用：±50℃；（8）地震作用[4]：水平地震基本加速度取0.15g，按底部剪力法进行校核验算；（9）偶然荷载：关键构件表面考虑34kPa 作用力进行校核验算。

3.2 荷载组合

主要内力基本组合：1.35 恒+1.5 活+0.9 风+0.9 温+1.0 名义水平力+1.0 沉降及侧移；1.35 恒+1.5 风（向上）+0.9 温+1.0名义水平力+1.0 沉降及侧移；1.0 恒+1.5 风（向下）+0.9 温+1.0名义水平力+1.0 沉降及侧移。

主要位移标准组合：1.0 恒+1.0 活；1.0 恒+1.0 风；1.0 恒+1.0 温；1.0 恒+1.0 风+0.6 温；1.0 恒+0.6 风+1.0 温。

3.3 构件截面

主桁架弦杆：焊接H 型钢H450mm×500 mm×30mm×30mm、H450mm×500mm×30mm×35mm、H450mm×550mm×35mm×35mm；腹杆：焊接方管及冷弯方管□500mm×35mm ～□250mm×10mm。

次桁架弦杆：焊接H 型钢H450mm×400mm×18mm×18mm、H450mm ×400mm ×18mm ×22mm、H450mm ×400mm ×18mm ×25mm、H450mm×450mm×18mm×30mm；腹杆：冷弯方管□300mm×12mm～□160mm×6mm。

联系杆件：冷弯方管□180mm×8mm、□160mm×6mm、□200mm×8mm、热轧H 型钢HW200mm×200mm×8mm×12mm。

水平支撑：圆管φ219mm×12mm、φ203mm×8mm。

主钢结构材质为Q345B。

3.4 设计要求

1）设计使用年限：50a；

2）屋盖竖向挠度：荷载标准组合作用下不超跨度L的1/250；可变荷载频遇组合作用下不超跨度L的1/300；

3）屋盖侧向变形：荷载标准组合作用下不超高度H的1/500；

4）屋盖自振频率不小于1Hz，以避免增强风振效应；

5）考虑结构变形及安装制造误差后的屋面坡度应不小于1：80[5]。

4 主要计算结果

4.1 构件应力比

采用建筑结构通用有限元分析与设计软件MIDAS/Gen海外版对结构构件根据Eurocode 3 的相关条款进行验算，最大构件应力比为0.867，所有构件应力比均小于1.0，如图3所示。

4.2 自振模态

屋盖结构前4 阶自振模态见表1，第一周期大于1Hz，满足SPEC 要求。

表1 结构前4 阶自振模态

图3 构件验算应力比示意图

4.3 竖向挠度

（恒载+下压风载）标准组合作用下，最大相对挠度出现在边榀次桁架跨中，挠跨比为Δ/L=（213-2）/66 650=1/316＜1/250，如图4 所示。考虑挠度及安装制造误差（50mm）后的屋面坡度为（700-213+2-50）/（66 650/2）=1：75.9＞1：80，满足SPEC 要求，故屋盖未做预起拱处理。

图4 边榀次桁架位移图

5 支座更换设计

由于屋盖桁架支座采用商品支座，外方要求支座需考虑在设计使用年限内的更换，提供支座更换的相关技术参数及操作步骤。对此进行详细的支架设计，提供了支架具体的尺寸参数（见图5）以及更换支座的操作步骤（见图6）。另外，对更换过程进行详细的施工过程模拟计算，保证技术措施的可实施性。

6 结语

对采用中国钢材按欧洲标准进行设计的典型工程进行了详细的设计过程介绍。分析计算结果满足相关规范及SPEC 要求。随着“一带一路”倡仪的不断推进，我国设计企业参与的海外项目也将越来越多，采用中国钢材按欧洲标准进行设计的项目也将难以避免，希望本工程的顺利实施能有一定的参考意义。

图5 支座更换支架设计

图6 支座更换过程示意图