巴中市体育中心大跨度钢结构设计与研究

2021-04-01蒋一波

工程建设与设计 2021年3期

蒋一波

（中电建路桥集团西部投资有限公司，成都 610041）

1 引言

巴中市体育中心是巴中市的重要基础设施，地处经济开发区，占地面积达到了113 524m2，总体建筑面积在6×104m2以上，在整个建设过程中，分别涉及了体育场建设、地下结构施工。根据对几种结构选择的对比，钢筋混凝土框架结构最为合适，且在整个结构中不设伸缩缝，但要通过后浇带和环向分段张拉预应力的设计，来实现混凝土结构的优化。在体育场屋盖结构外部，立面单层网壳结构更为合适，有效满足了体育场馆的结构标准。

2 设计概况

体育中心的大跨度钢结构中，以看台和屋盖钢结构为主，从整个结构体系的划分来看，看台和停车场采用的是混凝土框架结构。而屋盖钢结构中，单层网壳结构和索承网格结构的配合获得了更为理想的结构设计效果。在该大跨度钢结构内，悬挑跨度为45.5m。

3 钢结构深化设计方案

3.1 钢结构深化设计准备工作

大跨度钢结构设计时，要保障设计效果，需做好前期的准备性工作：（1）获得有关的设计文件。钢结构施工图、设计变更等设计文件都要及时提供给总承包方，总承包方在获得这些文件以后，要将这些都及时发送给施工单位。（2）设计图交底。交底是前期非常关键的工作，由业主方组织，设计单位要对技术交底的流程加以全面掌握，并将其全部流程加以记录。（3）确定最终的设计要求。总承包方需在一定的时间范围内来收集其他各个部门对钢结构设计的标准与要求，并在结构设计时充分满足这些设计标准，使得各个细节性问题都能够在设计方案中得以解决，设计方案审核通过以后，将最终的图纸文件提交给施工单位，从而保证施工单位能够依据这些设计要求来开展规范化的施工作业。（4）确定分段方案和临时安装措施。整个钢结构中包含的构件相对较多，为使得安装作业有序进行，必须要开展分段安装作业，安装单位需严格考虑安装方案和施工方案，与设计单位协商以后正式开始实施[1]。（5）图纸答疑和会审。施工单位需结合最终所确定的方案，来全面掌握各个设计图纸的细节，从分段可行性和运输可行性的角度，与有关的安装施工人员做好全面协调，通过对构件拆分顺序、细部尺寸、焊接工艺与顺序等的全面规划，与安装单位交流以后，确定最佳的现场安装方案，将最终所确定的节点形式提交给设计单位审核与确认。（6）深化图纸设计准则的编制，编制过程中要全面综合多种设计要点、整合所有资料。（7）深化设计计划的编制。

3.2 钢结构构件截面类型、材质分析

3.2.1 外部立面网壳结构

由于体育中心钢结构的特殊性，外部立面网壳结构的构成复杂，设计施工难度较大，其结构中以单层网壳、入口桁架、桁架支撑柱为主。单层网壳是由弧形圆钢管相贯形成的，而入口桁架的上下弦采用的是箱型弯扭构件。

3.2.2 上部索承网格结构

上部索承网格作为大跨度钢结构中的重点结构，在该结构中同样包含了一些其他的结构，预应力索、上部网格和支撑结构是形成上部索承网格的关键。预应力索主要采用的是环向索和径向索，支撑结构的存在使得索和上部网格可以有效连接起来，并起到重要的支撑作用，上部网格同样是由弧形圆钢管相贯形成的，索杆体系中的支撑构件内，上下节点之间只有保持了良好的连接性，才能够使得整体结构达到标准。连接是用销轴铰接来实现的[2]。

3.2.3 外圈环梁及立柱

外圈环梁和立柱中，环梁和立柱是结构中的关键要素。其中，环梁是由弯圆圆管所构成的，立柱下部是支撑体系中的重要构成，其直接埋入混凝土结构内部，且与外部网壳相贯连接起来，在整个钢结构中起到了重要的支撑作用。

3.3 节点类型分析

巴中市体育中心的钢结构总体上呈现出曲面形状，预应力结构的特殊性、庞大性使得在结构体系内包含的节点数量非常多且种类繁多，不仅有索承网格相贯节点、立面网壳相贯节点，还存在径向撑杆上部节点、外环立柱柱顶节点等，各个节点都在整个钢结构中发挥着重要的作用，节点之间的相互连接使得整个结构更为稳固[3]。对于结构体系中的相贯节点，由于整个钢结构为曲面造型，使得相关人员在施工建设时，可以通过弯圆拟合来实现节点区域的平滑过渡。

3.4 钢结构节点建模

3.4.1 节点建模流程

钢结构构件的种类繁多、数量庞大，各个连接构件节点都存在性质、种类的不同，节点建模过程中，要严格按照以下流程来开展：（1）根据工程的设计图纸，明确掌握整个结构中的各个复杂构件和复杂节点位置，在此基础上建立完整的模型，从而使得节点安装信息符合实际的结构特征；（2）严格根据设计与施工荷载，对复杂构件、节点等进行有限元分析，且要根据分析结果与设计单位有效沟通；（3）由于工厂加工和现场安装条件的特殊性，有关人员需严格保障各个构件的尺寸、位置的精确性，并选择恰当的焊接方式，进行模型的检查[4]。

3.4.2 网壳相贯节点设计

体育中心的结构复杂，各个杆件的角度、位置都存在着一定的差异性，再加上在杆件相交处存在相贯节点的设计，节点区域的壁厚加强，节点作为各个杆件的交接处，与整个结构的稳固性存在紧密的关系。结构深化设计需从两方面来开展：（1）建筑造型是决定节点类型的关键因素。由于巴中市体育中心为曲面造型，在节点设计时，弯圆形式的设计非常有效，在节点段独立开展圆弧拟合设计，斜向主管率先进行控制点圆弧拟合，再结合节点的长度指标来适当加厚[5]；（2）对于相似性高且存在不同的节点而言，在设计时最好选用参数化设计方式，一些工程企业已经采用了AutoCAD软件，设计出了深化软件系统，在此该系统中可以充分实现相贯节点的自动连接，在系统内集成全部的结构信息。

3.4.3 外圈立柱顶部节点设计

外圈立柱顶部节点作为整个结构体系中的重要构成，外部立面网壳和上部索承网格之间的分界是由外圈环梁和立柱来实现的，这一特殊结构、连接方式下，外圈环梁和立柱位置处形成了多杆件、多接点、多形式的节点，根据体育场馆的总体设计标准，立柱柱顶的截面应该设计在约1 400mm处，以通过这一截面设计来保障节点设计和连接的便捷性。柱顶与下部钢立柱的连接过程中，需采用变截面椎管。