广西体育中心游泳跳水馆钢屋盖结构设计

2020-07-17荆向晓

建材与装饰 2020年20期

荆向晓刘宏胡刚

（华蓝设计（集团）有限公司，广西南宁 530011）

1 工程概况

广西体育中心游泳跳水馆位于规划五象新区核心区的边缘地带，东邻邕江新大桥，西临南宁大桥，北倚五象大道，是一座以能够承办全国性运动会、区域性国际运动会和部分国际、国内重大单项水上赛事，兼顾平时使用和市民健身、娱乐等功能于一体的大型体育设施。其建筑结构总长240.0m，宽114.0m，高31.5m，总建筑面积31500m2，可容纳观众4073人，本工程已于2012 年9 月通过竣工验收，图1 为鸟瞰图，图2 为竣工照。

图1 游泳跳水馆鸟瞰图

图2 游泳跳水馆竣工照

工程主体结构为地下1 层，地上3 层。地下室为水电设备用房，地上一层为赛事竞赛用房，包括运动员用房，裁判用房，竞赛管理用房，媒体用房等，地上二层及三层为观众厅及服务用房。游泳跳水馆外部为空间管桁架与单层网壳组合结构，内部为钢筋混凝土框架－剪力墙结构，内外结构由于建筑需要彼此相互独立，仅通过基础梁有所连接。

2 钢屋盖结构体系

该工程钢屋盖主要有以下几个特点：①屋盖外形如梭形，屋顶无挑出，从顶到地面为光滑过渡；②屋顶中部局域建筑设计为聚碳酸酯采光板屋面，要求尽量通透；③钢屋盖结构构件均需外露，结构的选型尤为重要，结构需成就建筑美，并体现结构力学美。

根据上述特点，综合考虑荷载分布、地质情况和结构受力性能，钢结构屋盖采用空间管桁架与单层网壳组合结构体系。主要受力体系为由横向八榀落于地面基础的空间管桁架，与纵向四榀落于两端墩台的空间管桁架，共同组成一个独立的空间桁架结构。横向管桁架支座均采用成品抗震固定球铰支座，纵向管桁架采用滑动球铰支座。主桁架结构模型如图3 所示。横向空间桁架与纵向空间桁架之间均设置单层网壳进行联结，起到传递屋面系统荷载并增加结构抗侧刚度的作用。钢材材质除侧面支撑幕墙的竖向钢管由稳定性控制选择Q235B 外其余为Q345B。整体结构模型如图4 所示。

图3 主桁架结构布置

图4 整体结构布置

2.1 主桁架结构方案选择

根据建筑方案要求，横向八榀落于地面基础的空间管桁架截面必须设计为倒三角形。桁架间距22.4m，跨度90.340～53.415m，建筑高度31.400～22.900m。为了体现结构美，按受力特点，横向空间管桁架均为变截面三角形，桁架在两端折角处截面最大，向柱脚、跨中处逐渐收小，典型立面如图5 所示；每榀横向空间管桁架截面亦各不相同，位于建筑中间的桁架截面最大，向两端各桁架截面随着跨度的减小逐渐变小。横向管桁架上弦杆件截面选用600×12、600×18 和600×30 三种类型；下弦杆件截面选用600×12、600×18、900×25 及900×28 四种类型，后两种截面主要用于管桁架柱段部分；腹杆截面则根据受力需要选用203×6、273×14、299×14、426×16 及500×28 五种类型，材质均为Q345B。

图5 横向空间管桁架典型立面图

纵向空间管桁架起联系和支撑的作用，设置在横向桁架转折处。原建筑方案要求纵向桁架截面亦为倒三角形，在横向桁架转折处下弦杆件则如图6 所示，按此种方案计算发现横向桁架下弦杆所受弯矩很大，失去桁架杆件应主要受轴力的特点，杆件亦很难满足；经过与建筑协商最终纵向桁架截面采用倒梯形，保持建筑原上大下小收的趋势，典型截面如图7 所示，即通过纵向空间桁架下弦组成的平面桁架转移了横向桁架转折处下弦杆件的弯矩，另外建筑马道亦可直接设置在纵向桁架里，一举两得，获得了建筑的认可。纵向管桁架上弦杆件截面选用450×10，下弦杆件截面选用299×8，腹杆截面则选用203×6，材质均为Q345B。

图6 横向桁架转折处下弦杆件连接

图7 主桁架典型截面

2.2 单层网壳结构方案选择

横向空间桁架间距约22.4m，按常规宜设次桁架进行跨越，但建筑设计为暴露钢结构，要求结构必须简单轻巧，经分析可沿建筑造型做成单层网壳的形式。最初结构方案是全部做成三角形网格如图8 所示，结构整体刚度大，稳定性好；但是建筑强烈要求中间采光区域不能为三角形，最终协商妥协为如图4 所示，仅在采光区域布置两跨三角形网格，其余则采用四边形网格，此种方式虽无初始方案整体刚度大，但亦具有一定的刚度，能满足结构稳定性要求。

图8 三角形网格形式

单层网壳杆件截面选用450×10、450×9、203×6 及219×10 四种类型。其中除450×9 截面杆件材质为Q235B 外，其余材质均为Q345B。建成后的室内效果如图9 所示。

3 钢屋盖整体分析

3.1 钢屋盖的建模与分析方法

由于屋盖外形为梭形，无法用数学解析方程来准确表达屋盖壳面，这给结构建模带来了较大的难度。本工程以建筑表皮定出控制线并在CAD 中完成了屋盖结构的三维精确几何建模，其中相邻两个节点之间杆件采用直线段模拟，同时为了后期导荷方便，相邻四个节点之间输入三维面。CAD 建模时一定要分图层，比如上弦杆一个图层，腹杆一个图层等，主要是为了后续在结构分析软件里对杆件和面进行管理时比较方便。

图9 游泳馆室内照

本工程采用SAP2000 作为主结构分析软件，SAP2000 是由CSI 公司开发研制的通用有限元结构分析与设计软件，是美国乃至全球公认的结构计算程序。采用浙江大学开发的MST2008 作为补充结构分析软件。

CAD 模型建完后将其按图层对应分组导入SAP2000。其中所有杆件均采用梁单元进行模拟，本工程为空间结构，杆件受力复杂，梁单元需按压弯构件考虑；面单元主要是为了输入荷载和导荷，因此采用没有厚度和质量的虚面进行模拟，钢屋盖SAP2000 整体模型如图10 所示。

图10 钢屋盖SAP2000 整体模型

3.2 荷载选取及地震作用考虑

在计算中，依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）（2006 年版），对钢屋盖进行恒荷载、活荷载、风荷载、降温25℃、升温30℃总计5种单工况作用，荷载组合则按规范考虑了22 种组合。由于本工程体型复杂，进行风洞试验确定了风荷载体型系数、风振系数等各项计算参数。

地震作用则按规范与安评报告包络设计考虑，采用三阶段抗震验算：第一阶段：验算结构的弹性位移时，采用多遇地震作用，按弹性方法计算；第二阶段：验算构件的强度、稳定性和连接强度时，采用设防烈度地震作用，按弹性方法计算；第三阶段：在罕遇地震作用下，按弹塑性时程分析法计算结构的弹塑性位移和杆件塑性变形能力。

3.3 钢屋盖整体分析要点

模型计算完后，应主要关注以下几点。

（1）模态分析结果：振型质量参与系数应大于0.9；第一振型应以平动为主；结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比不应大于0.9。

（2）结构控制点水平位移：应满足控制点水平位移/控制点高度≤1/500。本工程此项比值为1/1519，满足规范要求。

（3）结构控制点竖向位移：应满足控制点竖向位移/钢结构跨度≤1/400。本工程此项比值为1/656，满足规范要求。

（4）杆件应力比：杆件应力比应控制在合理范围，本工程控制杆件应力比不超过0.85，关键杆件比如支座杆件应力比不超过0.7。

（5）支座节点受力是否合理：计算完后，查看支座节点在各种工况下的反力，确定支座或其支撑构件是否能承受，比如支座承受很大的弯矩或水平剪力均不可取。本工程纵向管桁架原本采用固定球铰支座，计算后发现在升温工况下水平推力巨大，支座及起支撑构件很难满足受力及变形要求，经过对比后纵向管桁架最终采用滑动球铰支座，以释放温度不利作用。

模型需经过不断调整计算分析，满足以上几点后才能基本确定，为后续其他分析打好基础。

4 钢屋盖稳定性分析

大跨度房屋钢结构由于跨度大、造型复杂可能会发生失稳破坏，在设计中必须加以考虑。失稳现象可分为整体失稳和局部失稳，整体失稳是整个结构几乎都出现偏离平衡位置并发生很大几何变位的失稳现象；局部失稳则指只有局部结构出现偏离平衡位置发生很大几何变位的失稳现象[1]。一般如果杆件和节点按规范要求进行设计局部失稳可得到控制，整体失稳分析则成为大跨度房屋钢结构设计中的重点和难点。

大跨度房屋钢结构的整体稳定分析方法主要有：①求矩阵方程的特征值方法。此方法未能考虑安装缺陷的影响，其结果可作为稳定承载力上限，并可给第二种和第三种方法提供初始缺陷分布。②几何非线性有限元分析法。此方法不考虑材料非线性，但考虑结构的初始缺陷，对结构在荷载作用下进行弹性非线性分析。③双重非线性有限元分析法。此方法既考虑几何非线性又考虑材料非线性，在计算中可以考虑初始缺陷，其结果能较准确地反应结构的稳定承载力[1]。

本工程利用ANSYS 采用双重非线性有限元分析法对钢屋盖整体稳定性进行了分析，结果如图11 所示，其中工况1：恒载+满跨活载；工况2：恒载+半跨活载。具体分析过程可参考文献[2]。

图11 双重非线性荷载-位移曲线

从图11 可看出两种工况下双重非线性分析结构荷载系数均大于2[3]，结构稳定性满足要求。

5 钢屋盖关键节点设计

钢屋盖横向管桁架作为主要的受力构件，其主管的截面尺寸较大；在横向管桁架和纵向管桁架交界的地方主管上可能连接多根次管，受力非常复杂，采用相贯焊接方法质量不能保证，故此区域的节点均采用铸钢节点，并需要对相关节点进行受力分析，铸钢节点如图12 所示。

图12 铸钢节点

本工程首先利用ANSYS 对铸钢节点进行了有限元分析，得出需在主管内部增加两道环状加劲板的结论。具体分析过程参考文献[4]，以下仅以典型节点8 进行简要说明。

图13 为节点8 未设加劲板的vonMises 应力图，从图中可以看出支管与主管交界处von Mises 应力大范围进入屈服阶段，最大应力达到496MPa，因此需要对节点8 进行加固处理。

在主管内部增加两道环状加劲板，几何尺寸如图14 所示。

图15 为节点8 设两块加劲板的von Mises 应力图，通过有限元结果可以看出：增加两块环形加劲板后，杆件交汇处的应力水平明显降低，最大处的von Mises 应力为267MPa，满足构件的弹性设计要求。

其次为了测试铸钢节点的实际受力情况，委托同济大学对节点8 和节点11 进行足尺铸钢节点加载试验[4]。节点材料采用铸钢G20Mn5（N）。为消除支座、加载等装置的约束对试验部位应力分布的影响，两个铸钢节点的每个管端均按实际工程的焊接方法焊接了一段与实际工程型号相同的钢管。焊接外伸管后的铸钢节点模型如图16 所示。