大跨度拱桁架支座应力分析

夏尧，高斌斌，李元，黄秀亮

（中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

伴随着我国经济建设的发展和日益多元化的文化形态的出现，以及国家全民健身计划的落实，近几年我国大力推进体育基础设施的建设和完善，以此满足各地区居民对体育健身、休闲娱乐等各方面日益增长的需求，从而为实现全民健康、健康中国提供最基本的支持。

2 工程概况

本工程为某县级体育中心，建筑面积约3×104m2，固定座位数约1.5万个，分为东、西2个结构单元，西侧为体育场主看台，东侧为相关服务配套用房；体育场主看台下部为混凝土框架结构，顶部钢罩棚为大跨度拱桁架。钢罩棚立体桁架结构的悬挑长度约为18 m，建筑最高点标高约50 m。

3 设计方案

本工程所在地区抗震设防烈度为7度[1]，设计基本地震加速度0.10g，因该建筑抗震设防类别为重点类，故地震作用计算采用7度0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅲ类，Tg=0.55 s，多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.08。基本风压（10 m高度，50年基准期）0.45 kN/m²[2]，地面粗糙度类别：B类。

根据建筑方案和实际情况的需要，顶部钢罩棚主要分成3部分：（1）起装饰作用的装饰拱；（2）为主要受力结构的前拱桁架；（3）通过次桁架与前拱桁架连接的后拱桁架。结构各部分传力明确，组成一个完整的受力体系。后拱桁架通过V形拉杆与下部混凝土柱相连，此混凝土柱为结构的主要抗侧力构件，为本工程设计中的关键构件，设计时采用型钢混凝土柱，计算应保证柱应力和柱顶变形满足规范要求，并留有一定的安全储备。而另一抗侧力构件即为装饰拱和前拱桁架的端部的混凝土拱脚支座，此拱脚支座需承受前拱桁架的传递水平推力和风荷载在吸力工况下产生的上拔力。

4 应力分析

本工程钢罩棚荷载包括结构自重、活荷载、风荷载、地震作用、温度荷载、吊挂荷载等。采用Midas Gen软件进行整体结构计算，前拱桁架及后拱桁架的拱脚支座边界条件采用铰接计算，从整体模型中提取拱脚支座处反力，详见表1。

表1 拱脚支座反力表

根据工程经验，对于此类大跨度钢结构，风荷载均为主要控制荷载之一，本工程计算时考虑双向地震作用，经计算表明，地震作用在上部钢罩棚计算中不属于控制荷载。根据规范要求及工程的实际情况，本工程对上百种不同的工况组合进行了计算分析，现选取几组典型的工况组合进行应力分析，具体工况组合详见表2。

本工程拱脚支座的应力分析采用Midas Fea有限元软件，拱脚支座采用实体模拟，有限元模型如图1所示。拱脚支座底部约束情况按固接计算，上部钢罩棚荷载以点荷载形式作用于支座处，拱脚支座应力计算结果见表3。

表2 设计工况组合

图1 体育场结构模型

表3 拱脚应力计算结果MPa

根据表3计算结果可知，在工况2的荷载组合下，拱脚支座处应力计算结果最不利。通过应力图2所示可知，拱脚支座压应力值较大处出现在拱肋和拱脚结合处；按照本工程实际受力情况，拱脚支座受到的荷载并非对称荷载，拱脚侧面角点处主拉应力最大，最大值为2.67 MPa，主拉应力由角点向X、Y、Z3个方向逐渐减小，因此在进行基础设计时，可根据此有限元分析结果，合理配置拱脚区域基础配筋，以防止因拉应力过大导致拱脚支座基础混凝土开裂。

图2 拱脚支座有限元实体模型及工况2作用下拱脚支座应力图

5 基础设计

拱脚支座基础设计时需考虑前拱桁架传递的水平推力，常见的处理方法[3，4]有：设置预应力索、打斜桩、设置岩石锚杆等。设置预应力索的方法一般情况下适用于落地拱桁架；本工程在设计阶段的场地勘探深度，未见岩石层，因此基于本工程的实际情况和当地施工条件，这几种常见的处理方法在使用中都有一定的局限性。结合建筑方案与实际地质条件综合考虑，本工程拱脚支座采用混凝土扩展基础方案，如图3所示。通过利用拱脚支座处的建筑造型，将上部造型与底部基础设计为一个整体，增加此处支座基础的自重，通过基础的自重、基础底部摩擦力及基础周围的土压力来平衡前拱桁架传递的水平推力，以达到控制拱脚支座处位移的目的。本工程拱脚支座处水平推力标准值为6 200 kN，拱脚支座基础出地面造型部分的高度超过10 m，下部基础埋置深度为-3.5 m，经计算，满足设计要求。

6 结语

图3 拱脚支座基础示意图

体育场上部的大跨度拱桁架钢罩棚受风荷载作用明显，受力形式复杂，本工程中受建筑造型限制，后拱桁架不落地，与型钢混凝土柱铰接连接，对整体结构的抗侧力性能产生了一定的影响，故前拱桁架的拱脚支座为设计中的一个关键节点。本工程通过整体结构计算及有限元计算对拱脚支座节点的受力进行分析，有针对性地对拱脚支座基础薄弱部位进行加强设计，保证节点的受力合理并提高结构的安全系数。