某校体育馆折型屋盖的结构设计

凌 劲

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东 广州 540640）

1 工程概况

随着全民健身的兴起，各类体育场馆如雨后春笋般出现，充分开挖了设计师们的想象力。本文所涉体育馆集篮球、羽毛球、排球等活动于一体的多功能场馆。整个体育馆由屋盖钢结构和底部两层为钢筋混凝土结构组成。其中，屋盖样式是高低不等的连续波浪折线型，通过内退悬挑等技术手法，营造出空中楼阁的静谧和通透感。

该屋盖水平投影面积为48m×49m，柱间距纵向9m，横向42.8m。东西北面从柱子处水平投影均悬挑出去2.9m。折型屋盖的最小波峰为3.59m，最大波峰为5.56m。体育馆效果图如图1所示。

图1 体育馆效果图

2 屋盖结构选型

屋盖支撑在下部混凝土柱上，按最大跨度42.8m设计布置，首选平面桁架作为受力体系。

初步屋盖结构布置考虑折线形式加上波峰的高度，当加以利用将提升整个室内空间感。将受力桁架放入波峰处，但底层建筑空间的功能性，限制了波峰处无法设置支撑柱子。此空间优势在本工程无法得到利用。只能将受力桁架放入低处。

本工程折型造型，考虑其类拱效应，屋盖布置如图2所示，整个体系平面桁架作为受力体系且加上随形态走势的稳定桁架，檩条东西向布置。

图2 屋盖结构布置图（一）

图2布置形式看上去很贴近屋盖造型，但受力路径不够清晰，且折线型桁架布置过密。同时南北侧的悬挑过多，局部薄弱趋势明显。南侧桁架布置，由于下部支撑柱子缘由，显得结构布置不合理。

基于以上分析，进行协调与改造。将南侧改成悬挑桁架来进行承载，北侧的柱子在底部建筑允许的范围内尽可能的调整到边缘处。减小稳定桁架的数量，由于主要是为了稳定平面桁架的平面外稳定，因此把折线形式直接拉平与低处的受力桁架同标高。平面桁架作为受力体系，设计檩条首传力至其上，且随着折型屋盖走势变化，让檩条在其内部考虑类拱效应。考虑空间以及经济性，将受力桁架调整成变截面形式。最终确定如图3的布置形式。

图3 屋盖结构布置图（二）

3 设计标准及荷载

屋盖结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。构件的应力比控制在0.9以下。长细比、变形等其他设计要求依据钢结构规范等进行［1］。

由于地域关系，本工程的荷载作用主要考虑恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用和温度作用。恒荷载屋盖系统及檩条等为1.0kN/m2。活荷载取0.5kN/m2。温度作用升降30oC考虑。其余的荷载作用依据抗震规范、荷载规范以及地勘报告等进行取值［2-3］。荷载间的组合系数情况（注：该工程设计时使用规范为旧版规范），如表1所示。

表1 荷载工况组合系数

4 结构计算分析

本工程钢结构屋盖部分采用软件3D3S进行计算分析。为减弱钢结构屋盖对下部混凝土结构的影响，以铰接的形式与下端的混凝土进行连接。

4.1 分析模拟方法

为更大程度的实现屋盖桁架的安全可靠设计，本工程考虑过两种方法。

第一种分析方法：将屋盖当成独立单体进行分析，与下端的连接方式设计成支座，如图4所示。此种方法将受力桁架剖分成一榀榀类似简直梁，一端铰接，另一端释放沿桁架方向的位移。整体忽略侧向位移的影响。

图4 屋盖结构分析图（一）

以上假定其实与屋盖的实际支撑情况有出入，但考虑整体侧向刚度对桁架受力分析影响并不是特别突出，且屋盖在这种约束下没有了杆件间以及下面更多的协调变形释放，在杆件设计方面其实是偏于保守安全的。再加上操作的方便快捷，因此该方法具有一定的可取性。

第二种分析方法：采用变形协调方式，将屋盖与下部混凝土作为一个整体进行分析，如图5所示。

图5 屋盖结构分析图（二）

此种模拟方法贴近实际情况。屋盖桁架变形带来的内力影响通过下部混凝土的协调变形进行缓冲抵消，整体屋盖的结构设计更显得优化性。因此本工程基于此方法进行了屋盖结构的计算分析。

4.2 结构分析结果

本工程根据经济安全施工方便等原则，主要受力桁架的截面选择了方形管，腹杆采用了矩形管，最大截面250×250×16，最小截面100×250×6。虽然传统的圆管在各方向上的抗弯抗扭性更优，但实际施工当中相贯焊接是无法做到中心对接中心，形成偏心误差，因此选择矩形管能避免该问题，且在平面受力体系上矩形管能满足刚度和稳定要求。由于屋盖波浪折型走势，使得檩条水平跨度较大，桁架间的每条檩条构成独立的类拱受力体系，本工程采用H钢，截面H248×124×5×8和H244×175×7×11。

对整体结构进行模态分析，前四振型如图6所示。从周期来看，整个体育馆的结构刚度较好。

图6 屋盖结构前四振型图

屋盖结构中的杆件验算，主要考虑强度、变形和稳定性的因素影响，依据钢结构规范进行复核。该体育馆的应力云图如图6所示。应力比均控制在0.9以下，最大应力比0.8，能够满足安全设计要求。

图7 屋盖结构应力云图

屋盖结构设计分析中除了刚度强度等因素，还需考虑整体变形。根据钢规，在永久和可变荷载标准值情况下产生的挠度值不允许超过跨度1/400，该体育馆的跨度42.8m，即本工程最大变形值为107mm。模拟分析中，屋盖最大变形值为105mm，接近限值。为了改善屋盖外观和使用条件，一般将受力构件进行预起拱处理。起拱数值根据实际需要而定，一般为恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度值。本工程根据不同位置处受力桁架变形情况，进行50mm 到70mm大小的预先起拱处理。

5 结语

建筑形态的发展也促使了结构设计的进步，同时建筑的功能空间一定程度上也制约了结构布置的施展。在结构设计中需要结合建筑造型且考虑结构的安全经济以及施工的方便性。

本文折型屋盖的设计通过方案布置的对比，模拟方式的实现以及强度、刚度变形等角度出发，基本满足以上要求。