学校体育馆大跨度楼盖结构设计与分析

石百良

（甘肃泓文建筑设计有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0 前言

在我国快速发展社会经济的同时，服务大厅、体育馆等建筑也需要具备越来越复杂的功能，在建筑建造过程中需要同时满足高效能利用、建筑功能布置以及大空间的要求。在传统的大跨度楼盖设计中经常以井字梁、平面钢结构桁架为主要结构，这些结构形式拥有混凝土与钢节点连接难度大、结构高度大、造价高等缺点，所以相关人员应该着重从加强造型美观性、节约成本和降低结构高度等方面进行优化。

1 工程概况

某学校体育馆主要用于学生体育活动，拥有19186m2的总建筑面积。存在一层地下结构，拥有6641m2的建筑面积；存在2 层地上结构，拥有12545m2的建筑面积。该体育馆拥有88.8m×79.1m的外轮廓尺寸和22.4m 的结构高度，其中2 层为篮球馆和综合训练馆，也是进行大跨度楼盖设计的主要对象。

2 综合训练馆大跨度楼盖结构设计

经过方案比选最终决定使用钢-混凝土组合梁作为综合训练馆大跨度楼盖结构。钢-混凝土组合梁能够使钢和混凝土的力学性能优势得到充分发挥，使两者之间产生协同作用，能够使材料拥有更高的利用效率。综合训练馆拥有52.2m 的纵向长度和34.2m 的横向长度，楼面标高与泳池水面之间存在8.9m 的距离。为了使结构高度得到最大程度的降低，需要提升水面与钢梁底的距离，最终选择了单向固接组合楼盖并且采取梁柱刚接的方式。横向布置主梁，包括12榀，将纵向钢次梁布置在主梁间。采用现浇混凝土楼板，设置150mm厚度。在采用钢-混凝土组合梁固接楼盖的过程中主要需要注意两个方面的问题，分别为混凝土柱与钢梁的连接和负弯矩区混凝土楼板抗裂。为了解决组合梁负弯矩区混凝土楼板开裂问题，在本次工程中使用新型抗拔不抗剪栓钉作为混凝土楼板与钢梁的连接件，在梁固接端的15%梁跨范围内进行布置。通过这种方式只要没有分离的现象在钢-混凝土界面发生，就可以实现自由滑动，能够使混凝土楼板拉应力得到有效释放，从而使混凝土楼板开裂的几率降低[1]。同时，因为柱与钢梁刚接，所以此区域只具有较小的钢梁变形，所以组合梁的挠度只会在较小程度上受到钢梁与混凝土楼板的滑动连接的影响。

传统的钢梁-混凝土柱拥有非常复杂的连接方式，需要将钢骨设置在混凝土柱内，并且混凝土柱箍筋想要将钢梁腹板贯穿拥有较大的施工难度。在本次工程中使用钢套筒节点开展钢-混凝土组合梁设计，能够使以上问题得到有效解决。混凝土柱节点区箍筋使用钢套筒替代，可以使用牛腿连接钢套筒和钢梁，能够使施工变得更加方便，施工人员可以在工厂加工钢结构件，使用高强螺栓完成现场连接，能够保证施工达到较高的质量[2]。

2.1 钢-混凝土组合梁结构分析

在设计本工程横向主梁的过程中主要分为两个阶段，分别为挠度计算和承载力计算，并且两者所使用的计算模型也存在差异。以MIDAS Gen 作为计算软件。

在计算承载力的过程中，只完成梁柱单元梁格模型的建立，根据刚度放大系数确定楼板的贡献，同时对刚性楼盖假定进行合理利用，完成组合梁各梁段控制内力的计算，进而验算各梁段的承载力。

针对弯矩区两端，将剔除板内钢筋和混凝土板的作用，仅将钢梁承担的剪力和弯矩作为考虑因素。对于正弯矩区梁段，组合梁承载力应该通过钢-混凝土组合截面验算。经过计算可知，梁拥有4328kN·m的最大正弯矩，拥有-8688kN·m最大负弯矩，1496kN的最大剪力。

在计算挠度的过程中，为了充分考虑刚度受组合楼盖空间作用的影响，需要与工程实际情况相结合建立楼板和梁板的混合模型。然后从模型中完成各组合梁变形的提取，最大挠度计算结果如表1 所示。利用各个标准组合的包络值完成变形验算。

表1 最大挠度计算结果

2.2 设计钢梁-混凝土柱连接节点

针对这部分的设计内容，将矩形钢管外套在柱节点处，钢管外伸牛腿，使用高强螺栓连接梁端腹板和牛腿腹板，最后焊接钢梁与牛腿翼缘。为了更加可靠的完成连接，应该将内隔板设置在钢梁翼缘位置处的钢管内，钢管壁使用牛腿腹板贯通[3]。将栓钉设置在钢套筒内部，利用钢套筒将梁端剪力和弯矩传递到混凝土柱。在这个过程中混凝土柱箍筋被16mm 厚度的钢套筒替代，所以在验算节点抗剪时应该考虑钢套筒。

3 篮球馆大跨度楼盖结构设计

经过方案比选最终决定使用钢桁架+现浇混凝土板作为篮球馆大跨度楼盖结构。篮球馆钢桁架拥有3m 的高度，39.9m 的跨度，4.35m 的间距，包括13榀，采用刚性连接的方式连接混凝土柱内钢骨和桁架。在分析整体建模的过程中使用PMSAP空间结构分析软件，在计算单榀桁架承载力时以MIDAS Gen作为计算软件。将螺栓设置在桁架上翼缘并连接钢筋混凝土楼板。在计算过程中对钢-混凝土组合作用不做考虑[4]。

使用H 型钢焊接桁架腹杆和上、下弦，腹杆和上、下弦截面主要为两种类型，分别为跨中正弯矩区截面和支座负弯矩区截面。跨中区和支座区上、下弦截面分别为H600×250×14×20 和H600×400×22×30。跨中区和支座区腹杆截面分别为H300×200×14×18 和H300×300×16×25。在计算过程中，根据桁架单元完成腹杆计算，根据梁单元完成上、下弦杆计算。在活荷载+恒荷载的条件下桁架拥有40mm 的最大挠度，与传统的两端铰接桁架相比明显拥有更小的挠度，但是由于其拥有较大的负弯矩，并且需要刚接柱与桁架的上、下弦，在桁架上、下弦杆均有受压区存在，桁架端部杆件存在较大的截面。

4 结语

综上所述，虽然很多种结构设计形式都能够使体育馆的结构受力要求得到满足，但是与本次工程的实际情况相结合，在本次设计中决定使用钢-混凝土组合梁作为综合训练馆大跨度楼盖结构，使用钢桁架+现浇混凝土板作为篮球馆大跨度楼盖结构。同时深入地分析设计过程中的各项要点，不但能够满足相关的设计要求，还能够使体育馆的楼盖舒适度得到有效提升。