邯郸市体育中心三万座体育场钢屋盖罩棚结构设计

2023-10-16朱忠义周忠发吴珀江

建筑结构 2023年18期

关键词：罩棚屋盖杆件

卫东, 朱忠义, 周忠发, 李芊, 吴珀江

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

邯郸市体育中心属邯郸市重点工程,用于承办2022年河北省第16届省运会和第21届大学生运动会。本工程属三万座乙级体育场,总建筑面积为76 661.5m2,其中地上建筑面积54 401.5m2,建筑罩棚高度45.70m,建筑实景如图1所示。

图1 邯郸市体育中心建筑实景

体育场平面投影尺寸240m×260m,结构主体采用现浇钢筋混凝土框架结构,看台部分采用装配式预制钢筋混凝土看台;钢罩棚采用管桁架结构;基础采用钻孔灌注桩,桩侧桩端后压浆。

体育场钢罩棚最大悬挑长度37.6m,采用变截面倒三角形立体钢桁架,桁架悬挑根部最大结构高度5.6m,悬挑最外端截面高度2.5m。桁架杆件采用Q355B圆钢管(直缝焊接管和无缝钢管),最小截面为φ89×5,最大截面为φ700×25。

悬挑桁架支承在内圈混凝土柱和外圈V形柱上。为减小占用室外平台空间,V形柱下端内移,整体向外倾斜。V形柱采用中间大两头小的变截面圆钢管柱,柱中截面为φ900×25,两端截面为φ500×25,V形柱长度约为20m。内圈混凝土柱顶与悬挑桁架采用固定球铰支座连接,外圈V形柱与桁架采用带关节轴承的销轴节点连接。

在V形柱顶、内圈混凝土柱顶及悬挑桁架悬挑端分别设置3道环向立体桁架,确保悬挑桁架平面外的稳定性。体育场典型剖面如图2所示。

图2 结构典型剖面示意图

由于屋盖桁架为单向悬挑桁架,为提高屋面结构的整体性,设置了14道径向的面内支撑系统,在外侧V形柱和内侧混凝土悬臂柱之间的屋面设置了环向连续的支撑系统(图3)。

图3 屋盖平面布置图

2 结构设计参数

本工程结构安全等级一级(结构重要性系数γ0=1.1),设计使用年限50年;抗震设防类别乙类,抗震设防烈度7度(0.15g),设计地震分组为第二组,建筑场地类别Ⅲ类(特征周期Tg=0.55s);结构阻尼比0.035;支承屋盖的混凝土悬臂柱抗震等级为一级,V形柱抗震等级为二级。屋盖大跨钢结构按8度采取抗震构造措施[1]。

混凝土结构50年重现期基本风/雪压均取0.40kN/m2,屋盖结构的风/雪压均按100年重现期取0.45kN/m2,地面粗糙度为B类。

为保证屋盖结构的抗风安全,进行了1∶200缩尺模型的风洞试验,试验名义风速10m/s,风向角间隔10°,得到上下层屋面合成风压μμ的分布情况。风洞试验结果表明:罩棚迎风面出现受压,μμ最大值为0.8;罩棚背风面和侧面局部出现上吸风,总体上吸风μμ最大值为-0.2,个别风向角下局部极值达到-0.4。

3 抗震性能目标

体育场罩棚悬挑长度接近抗震超限的40m悬挑长度限值,为保证混合抗侧体系的大震安全,避免支承结构先于屋盖发生破坏,对关键部位、关键构件、普通竖向构件等区分性能目标,进行性能化设计,具体如表1所示。

表1 结构抗震性能目标

4 混合支承结构抗侧分析

由外侧V形柱和内侧混凝土悬臂柱组成的混合支承结构,共同为屋盖提供竖向承载和水平抗侧能力;同时外侧V形柱抗拔、内侧混凝土悬臂柱受压,一拉一压形成力偶抵抗大悬挑产生的倾覆力矩。在水平风荷载和地震作用下,外侧V形柱和内侧混凝土悬臂柱所承担的屋盖水平剪力如表2所示。

十几年后，在一个阴霾的秋日里，我跟一位司机开大卡车去给一个镇子拉活儿。那是一个弥望郁然、有山有水的镇子，镇子被一层薄薄的流雾缠绕着。

表2 混合抗侧结构的水平剪力分配

由表2中结果可见,V形柱与混凝土悬臂柱两者分担的地震力和水平风荷载相当,均对结构抗侧有重要作用,设计中两者均按大震不屈服设计,抗震等级相应提高一级。

5 罩棚结构设计及竖向地震作用分析

采用MIDAS Gen软件对体育场结构进行钢结构模型和考虑混凝土的整体模型的包络设计。设计考虑风荷载(规范风荷载与风洞试验结果进行包络设计)、温度作用、地震作用、活荷载半跨分布、雪荷载不均匀分布等,并考虑多种荷载工况的组合,计算结果表明,承载力和变形均满足规范要求[2]。

图4给出了结构前三阶振型,从结果可以看出,大跨度结构频率密集,且以竖向振动为主。竖向地震对大跨度结构的影响不可忽视,因此对邯郸市体育中心大跨屋盖的竖向地震响应进行分析。

图4 结构前三阶振型

采用振型分解反应谱法对屋盖的竖向地震与重力荷载代表值作用效应的比例关系进行对比研究[3],结构竖向地震影响系数αvmax取水平地震影响系数最大值的65%,竖向地震作用下屋盖支座总竖向力的计算结果如表3所示。由表3可知,竖向地震作用下的屋盖支座总竖向力F与重力荷载代表值作用下的屋盖支座总竖向力FG的比值为0.067,小于静力法的0.08。

表3 竖向地震作用下屋盖支座总竖向力分析结果

对于单榀悬挑桁架,竖向地震作用引起的杆件轴力N与重力荷载代表值下轴力NG的比值分布如图5所示。由图5可见,靠支座(最下端)的N/NG的比值较小,而在悬挑的最外端N/NG比值偏大,最大达到0.51。

图5 小震下杆件的N/NG值

由上述分析结果可见,在竖向地震作用下杆件的N/NG与结构整体的F/FG并不一致,悬挑最外端杆件的竖向地震响应明显大于传统静力法的竖向地震作用系数取值。钢罩棚的小震竖向地震作用按静力法和反应谱法取包络设计。

6 结构大震弹塑性分析

采用ABAQUS软件对整体结构进行了罕遇地震作用下动力弹塑性分析,梁、柱等杆件采用纤维梁单元,楼板采用四边形或三角形缩减积分壳单元。钢材采用双线性随动硬化模型,考虑包辛格效应;楼板混凝土采用ABAQUS自带的塑性损伤模型;框架梁、柱混凝土采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)推荐的混凝土本构模型。钢筋混凝土构件按照SATWE结果配筋。

计算采用瑞利阻尼,结构阻尼比取0.05。水平两方向和竖向地震波峰值加速度比为1∶0.85∶0.65。选取1条人工波,2条天然波,进行三向输入的大震动力弹塑性分析,峰值加速度取310gal。罕遇地震作用下结构塑性应变分布情况如图6所示。

图6 人工波作用下结构塑性应变分布(大震)

分析结果表明:1)结构最大层间位移角均满足规范限值1/50的“大震不倒”要求;2)屋盖钢结构总体保持大震弹性,仅个别系杆出现损伤;3)支承屋盖的混凝土柱和V形柱均未出现屈服,混合支承结构的抗侧性能满足大震不屈服的性能目标。

7 罩棚结构的极限承载力分析

为保证大跨屋盖具有可靠的竖向承载能力,对屋盖进行考虑双非线性的竖向极限承载力分析(按跨度的1/300考虑整体缺陷),分析软件采用ABAQUS。根据结构的特征值屈曲分析结果及受力特性、截面校核等方面的分析结果,选取荷载标准组合(1.0恒载+1.0活载)作为分析工况。选取最大悬挑点为典型节点,其位移-荷载关系曲线如图7所示。

图7 典型节点的荷载-位移曲线

图8给出了不同倍数荷载标准组合下的屋盖钢结构塑性应变分布图。分析结果如下:1)结构的极限荷载可达荷载标准组合值的5.3倍,满足安全系数K>2的要求;2)在荷载加至荷载标准组合值的4.5倍后,悬挑最大桁架根部腹杆进入塑性,刚度出现退化;3)随着荷载的增加,结构的刚度也逐渐变小。

8 抗连续倒塌分析

考虑到本工程的重要性,采用拆除构件的方法进行抗连续性倒塌设计[4-5]。抗连续性倒塌采用了如下概念设计:1)悬挑桁架平衡端部采用V形柱,V形柱两根杆件汇交到悬挑桁架的平衡端,提高结构冗余度;2)外圈V形柱与内侧混凝土悬臂柱之间的屋面设置环向连续的面内支撑系统,提高屋面结构的整体性;3)桁架节点设计时应力水平低于构件。

设置如图9所示的三种杆件失效工况;工况1为桁架下弦失效,工况2为V形柱1根杆件失效,工况3为V形柱2根杆件失效。通过拆除杆件或假想构件出铰的方式,模拟在偶然事件发生时,结构能继续承载,并满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010)第3.12.3条和3.12.4条的要求。

图9 不同工况的杆件失效示意图

抗连续倒塌分析时,除按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)要求的弹性静力分析方法对剩余构件承载力验算采取效应折减和动力放大的综合评估方式外,还采用ABAQUS软件模拟构件拆除后结构体系转换的动态变化过程,以及结构体系转换过程中构件的内力波动,以反映相对真实的结构动力放大效应[6-7]。图10为三种工况下拆除不同杆件后,与之相连杆件的动力放大系数,可见最大动力放大系数在1.3～2.8之间。

图10 杆件拆除后相邻杆件动力放大系数

图11为拆除杆件后的结构变形。工况1和工况3均导致所连悬挑桁架整体失效,相应桁架悬挑端的屋面变形最大。工况2V形柱仅1根杆件失效,另1根杆件仍有承载能力,保证了悬挑桁架受力体系完整,屋面刚度无明显变化,悬挑桁架端部和对称位置的悬挑桁架变形较为接近。由上述分析结果可见,拆除杆件后,结构仍有继续承载的能力,不会出现结构连续倒塌。