天长市全民健身中心体育馆大跨度钢桁架组合楼盖设计

2021-04-02刘毛方万金玉孟磊

安徽建筑 2021年3期

刘毛方，万金玉，孟磊

（1.安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽合肥 230001；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

1 工程概况

天长市全民健身中心项目包含体育场、体育健身综合馆、配套商业以及室外市民健身运动场地。体育馆总建筑面积37926m，内设4295座乙级标准体育馆及其训练馆，一个8泳道50m×21m尺寸标准游泳池和一个戏水池。地下一层,地上局部三层，屋盖完成面最高点28m。屋盖整体成钻石切割状，建筑效果图见图1。体育健身综合馆是2022年安徽省第15届全运会的比赛场馆之一。

图1 天长市全民健身中心体育馆

体育馆主体结构采用钢筋混凝土框架结构，屋盖和幕墙骨架采用钢结构。屋盖平面成圆形，直径约116.0m，采用四角锥与三角锥结合的网架结构，厚度约3.5m。网架支座位于框架内圈82.8m×63.0m的矩形柱网环梁和外圈圆形斜柱顶。幕墙骨架采用矩形管单层壳结构，上部与网架的焊接球节点滑动连接，下部支座位于二层大平台的框架梁上。钢结构支座由于受力需要采用了橡胶支座和成品抗震支座。其中训练馆(北)和游泳池(南)上方64.8m×27.0m的大跨度楼盖。平面布置图及典型剖面图见图2。

图2 大跨度楼盖结构平面布置图及剖面图

每侧楼盖均设置了十二个牛腿支座，又根据牛腿所在柱的形状及尺寸将牛腿柱分为五类。其中KZ1、KZ2为矩形柱，边长均为1.5 m。KZ3、KZ4为空间倾斜圆柱，直径1.5m；KZ5为圆形，直径2.0m，由两侧向中间合拢在柱顶合为叉形，与x轴夹角达63.5。由于圆柱柱顶为屋顶大跨度屋盖的支座，考虑受力复杂且为关键构件，圆柱内均增设型钢。牛腿的具体布置详见图2。

2 结构计算分析

2.1 结构的选型

大跨度楼盖常用的结构方案有型钢梁、预应力梁、钢梁组合楼盖、钢桁架组合楼盖以及钢网架组合楼盖等。本工程大跨度楼盖由于跨度大、荷载重，经过方案对比并综合考虑跨度、荷载和舒适度等因素最终选用钢桁架组合楼盖，作为楼面结构体系。桁架上、下弦及腹杆均采用热轧宽翼缘H型钢(Q355B)。但由于A轴交5轴、7～8轴、10轴均为空间斜柱且倾角较大，采用常规的等高度平行弦桁架会使得桁架下弦与柱子错位无法连接，考虑单榀桁架为类似简支梁受力，最终确定采用端部直接收头的变高度桁架。桁架计算高度2.7m。单榀桁架计算简图见图3。桁架支座放于成品抗震球铰支座上，抗震支座通过预埋板与混凝土柱牛腿连接。这样钢桁架端部可自由转动，可准确模拟结构支座的实际约束情况，同时成品抗震支座既可以承受竖向荷载，也具有抗水平力的性能，保证地震时不脱落。也大大增加了结构的安全性。楼面采用压型钢板组合楼盖，可避免高、大空间高支模，有效缩短施工工期，大幅降低施工措施费。

图3 桁架平面计算简图

2.2 模型参数

2.2.1 恒活荷载

三层楼面使用功能为大众健身房和活动场地，部分设备房间的围护墙（蒸压加气混凝土砌块）直接砌筑在楼板上，设计时将此部分墙体线荷载折算为楼面附加活载考虑。无隔墙区楼面恒载为3kN/m，有隔墙区楼面恒载为4kN/m。楼面活荷载为4kN/m。

2.2.2 地震作用

本工程的设计地震分组为第二组，抗震设防类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg=0.40s，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)天长地区抗震设防烈度为7度0.10g，建筑抗震设防类别为标准设防类(座位数4295)，考虑体育馆可能人流密集，根据《安徽省抗震减灾条例》(2012修订)的规定，设计时地震烈度提高一档取为7度0.15g。抗震等级按照大跨度结构取为二级。支撑桁架的混凝土柱性能化设计，按中震弹性计算结果配筋。单独计算钢结构时阻尼比ξ＝0.02，下部混凝土结构与上部钢结构整体计算时ξ＝0.035。计算同时考虑水平和竖向地震作用，竖向地震反应谱影响系数取为水平地震反应谱影响系数的65%。

2.2.3 温度作用

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)，天长地区的基本气温为 -6℃(最低月平均气温)；36℃(最高月平均气温)。由于钢结构对气温变化较为敏感，对基本气温给予修正提高至：-10℃(最低)；40℃(最高)，暂定合拢温度为：10±5℃，故设计温度荷载取值为+30℃(温升)；-25℃(温降)。

2.3 内力分析

利用北京盈建科软件公司的YJK系列软件建立了混凝土和钢结构整体模型，钢桁架在空间结构里建模完成。桁架端部与混凝土柱采用铰接，压型钢板用蒙皮模拟导荷，楼板采用弹性楼板假定，柱计算考虑P-△效应。

计算结果显示桁架上下弦最大应力比约为0.7，构件的长细比和宽厚比均满足规范要求。桁架跨中标准组合下最大挠度为30mm，仅为跨度的1/800，满足规范要求。同时针对本项目复杂性采用MIDAS软件进行了结构整体计算复核，MIDAS计算结果与YJK软件计算结果偏差在5%以内，体现出桁架截面选取合理。由于整体软件建模时未能考虑支座的实际尺寸，无法准备确得出桁架的支座反力，因此本工程采用了3D3S软件建立了一榀平面钢桁架模型进行复核。由于钢桁架两端支座与混凝土柱耦合了线位移，故支座约束的准确模拟将是结构复核的关键控制因素。本文分析了3种不同的支座约束状况，并对比了支座反力。状况1为桁架两端线位移全约束。状况2为桁架两端考虑柱子实际线刚度的弹性约束。柱弹性刚度通过在YJK空间模型里牛腿高度处施加桁架平面内的单位水平力，再根据对应节点处的线位移反算得到。状况3为施工期间先释放桁架一端支座的平面内线位移约束，待楼盖上部全部恒载作用完毕后再约束。由于恒载下支座反力已有效释放。该工况下桁架支座的平面内实际反力近似等于桁架上部荷载仅有活荷载作用下的支座反力。最不利工况下不同支座约束状况的支座反力对比，详见表1。

不同支座约束状况的支座反力对比表1

从表1中结果对比可以看出，考虑柱的弹性刚度后，桁架支座反力Ry可降低46%，但是数值仍很大，支座设计存在巨大困难。在考虑施工期间的释放后，桁架平面内的支座反力Ry可再降低35%，由此可见采取一定的措施可有效降低正常使用期间的支座反力。

3 结构设计

3.1 钢桁架及楼盖设计

楼盖采用130mm厚的组合楼盖，楼承板采用了压型钢板。桁架上弦间设次梁作为压型钢板的支座，下弦间设置的次梁作为下弦平面外的支撑，同时也可作为楼盖下部建筑吊顶的主龙骨。桁架上、下弦杆和腹杆均采用宽翼缘高频焊H型钢。由于游泳馆上空吊顶后的有效高度需满足7m的净空，经过与设备专业协调，设备的管道均从桁架上下弦杆间空隙敷设。常规的节点板螺栓连接由于杆件角度问题占据了较大有效空间，故决定桁架的节点采用工厂相贯节点。桁架全跨分为2段，由工厂制作完毕后现场吊装拼接。

3.2 支座设计

本项目组合楼盖跨度大、荷载重，虽然采用了施工期间的支座反力释放，但在最不利荷载工况下，桁架的支座反力RY仍有2134kN。将给预埋板和牛腿设计带来困难。故为有效抵抗沿桁架平面内的水平力，在柱子侧面设置预埋板，通过节点板与桁架连接。最不利工况下桁架的水平力，一部分通过小立柱传给抗震支座的预埋板，另一部分由侧面节点板的螺栓直接传给柱子。侧面节点板设置的7个M20的A级螺栓可承担约700kN的水平力，其余1500kN由牛腿承担，牛腿配筋按此水平力复核。同时对应柱子高度处施加水平力复核柱配筋。牛腿支座详见图4。钢桁架支座放置在牛腿上，为准确模拟支座的约束情况，实现支座端部的自由转动，本项目采用了成品抗震球铰支座，详见图5。

图4 典型支座

图5 抗震球铰支座大样

3.3 复杂牛腿节点设计

混凝土牛腿受力复杂，且由于KZ3～KZ5均为X、Y两方向均倾斜的空间斜柱，详见图6。为便于牛腿与混凝土柱连接，牛腿也沿柱子倾斜方向放置，但牛腿顶部切成水平面放置抗震支座，故本项目牛腿为空间异型构件，《混凝土结构设计规范》提供的牛腿公式无法准确适用本项目。为确保结构安全，在公式计算配筋的基础上采用通用有限元软件ABAQUS建立了三维实体模型复核。有限元法的优点是可以从三维角度深入地分析构件的受力机理，且计算较为精确。

图6 牛腿布置

混凝土采用弥散开裂模型。弥散开裂模型对于混凝土裂面行为的模拟较为准确，适用于分析混凝土开裂后应力-应变空间不断变化的受力情况。钢材和钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，且不考虑屈服后的强度硬化。牛腿柱和牛腿均采用C40混凝土，钢筋采用HRB400，柱内型钢采用Q355B钢材。混凝土及十字型钢均采用C3D20R六面体单元，钢筋采用T3D2桁架单元。型钢表面设有栓钉，能够在很大程度上保证混凝土和型钢之间的共同工作，二者之间采用Tie约束。由于钢筋和混凝土之间的滑移较小，故采用Embed约束。模型中牛腿柱的下端采用固定约束，上端仅约束水平向位移和z轴转动。网格划分如图7所示。