淮安某学校风雨操场体育馆结构设计

刘玉

（江苏省建筑设计研究院股份有限公司，南京210019）

1 工程概况

本项目位于淮安市淮安区淮安生物工程高等职业学校校园西侧，教学实训楼西侧，东接城市道路。 风雨操场实际功能为体育馆，属于高职类学校体育用房，由主馆和训练馆组成，总建筑面积11 529.95 m2，地上2 层，层高5.0 m。 1 层主要功能为篮球、 排球和羽毛球等项目的教学和训练场地，2 层为主馆看台、活动用房和主馆室外入口， 总建筑高度22.5 m， 室内外高差0.2 m，总座位数为2 850 座。主馆平面尺寸为74.2 m×74.2 m，主馆北侧与西侧裙房为训练馆，训练馆两层通高，层高10.2 m。 主馆和分训练馆不设缝，无地下室。 建筑效果图如图1 所示。

图1 建筑效果图

2 结构设计

2.1 结构体系

主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构， 屋盖采用平面管桁架轻钢屋面，桁架高3.9 m；训练馆屋盖跨度27 m，采用现浇钢筋混凝土楼盖，单向布置混凝土次梁，梁间距3.0 m，梁高1.5 m，跨高比1/18。 框架抗震等级为三级，大跨框架抗震等级为二级。

主馆和训练馆作为一个整体，不设置抗震缝，主要柱网尺寸9.0 m×9.0 m，X 向总长约为120.3 m，Y 向总长约为84.5 m，两方向均超长。

2.2 荷载取值

2.2.1 恒荷载及活荷载

主馆钢桁架轻钢屋面恒荷载取1.0 kN/m2（包含屋面板、檩条自重和悬挂荷载）；主馆屋面为不上人屋面，活荷载取0.5 kN/m2，马道活载取1.5 kN/m2；裙房屋面为上人屋面，活荷载取2.0 kN/m2。

2.2.2 风荷载及雪荷载

基本风压按50 a 一遇取0.40 kN/m2， 地面粗糙度类别为B 类，结构体型系数、风压高度变化系数、风振系数等均按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[1]取值。基本雪压按50 a一遇取0.4 kN/m2。

2.2.3 地震作用

本工程为高职类学校，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[2]，抗震设防烈度为6 度（0.05g），抗震设防类别为重点设防（乙类）。 根据《关于执行幼儿园、学校医院等人员密集场所建设工程结构设计标准的通知》（淮住建办[2018]68 号文），本工程提高一档进行抗震设防，按7 度（0.10g）计算；结构设计使用年限50 年，结构安全等级一级，结构重要性系数取1.1；建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0.65 s。

2.2.4 温度作用

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，淮安月平均最低气温为-7 ℃，最高为35 ℃，为简化计算，结构平均温度按月平均气温确定计算温差， 主场馆屋盖钢桁架安装合龙时的温度按10～18 ℃考虑，计算温差按照取值为±25 ℃。

2.3 地基基础

根据据勘察报告， 采用预应力混凝土管桩基础， 桩径400 mm，以3-1 层粉细砂为持力层，桩端全截面进入持力层深度不少于2.0 m。

2.4 主体结构

本工程主体结构采用钢筋混凝土框架结构， 基础顶面作为上部结构的嵌固端。鉴于本项目跨度较大，采用PKPM 软件进行计算，3D3S 软件辅助验算， 并对两种不同力学模型的软件计算结果进行比较分析。 两种软件的计算结果对比见表1。

表1 结构总体指标计算结果对比

通过对比分析， 两个不同计算内核的结构分析软件（PKPM 和3D3S）计算结果相近，说明两种模型计算结果是合理且有效的，计算模型符合结构实际工作状态，可作为结构设计的依据。 计算结果显示，结构前10 阶周期都呈整体振动变形，无局部振动现象，周期、位移、侧向刚度、楼层抗剪承载力、剪重比等重要指标均能满足国家规范要求。

2.5 大跨钢桁架屋盖

本工程主馆屋盖平面尺寸为74.2 m×74.2 m，柱距为69.0 m×69.0 m。 大跨轻钢屋盖采用平面钢管桁架结构， 桁架间距为9.0 m， 沿桁架垂直方向布置支撑桁架和刚系杆以保证拱形桁架的侧向稳定，周圈设置水平支撑，钢桁架的支座交接在框架柱顶，周圈框架柱顶设置收边桁架。 桁架上弦杆根据建筑屋面造型布置成折线，跨中矢高为3.9 m，高跨比为1/17.7。钢桁架杆件均采用Q345B 无缝钢管，上下弦杆φ450 mm×16 mm，腹杆和水平支撑为φ203 mm×10 mm，支座腹杆为φ219 mm×14 mm，刚系杆为φ245 mm×16 mm。 典型单榀桁架如图2 所示。

图2 典型单榀桁架大样图（标高单位：m；尺寸单位：mm）

钢桁架屋盖结构采用3D3S 软件进行整体计算， 并采用PK 软件对单榀桁架进行复核，计算结果与3D3S 软件相近。

对桁架各上下弦杆件选用空间梁单元， 腹杆及屋面支撑系杆指定为杆单元，杆件端部按铰接模拟计算，整体屋盖结构的强度、稳定应力比均在0.85 以下。结构在恒载和活载作用下产生的最大挠度值分别为175.6 mm 和59.3 mm，挠度限值满足规范[3]不大于L/250（L 为桁架跨度）的要求，结构具有足够的刚度。

综上，本工程大跨轻钢屋盖强度、稳定及变形均满足相关规范要求。

2.6 节点及支座设计

本工程屋盖钢管桁架连接节点采用相贯焊连接，相贯节点各杆件的轴心线尽可能交于一点，避免偏心。 相贯线焊缝的具体要求为：（1）主管与支管的连接焊缝为相贯线焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡， 全熔透焊缝的质量等级为一级，角焊缝和部分熔透焊缝的质量等级为三级。（2）当多根支管同时交于一节点，且支管同时相贯时，支管按直径大和管壁厚优先。（3）圆钢管相贯时，支管端部的相贯线焊缝位置沿支管周边分为A（趾部）、B（侧面）和C（踵部）3 个区域。 每榀桁架支座与主体结构框架柱连接采用铰支座，节点构造如图3 所示。

图3 桁架支座节点构造（单位：mm）

3 超长结构设计措施

本工程主馆和训练馆作为一个整体，X 向总长约为120.3 m，Y 向总长约为84.5 m，两方向均超长。 针对超长采取以下措施：

1）设置多道后浇带，间距不大于40 m，从而减小混凝土浇筑过程中的水化热。 后浇带封闭材料采用比对应楼面混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土， 并要求在主体封顶60 d 后浇筑。

2）根据前述温度荷载，考虑最大升温、降温±25 ℃计算温度应力。经计算，2 层温度应力最大，长方向局部最大温度应力为2.6 N/mm2，短方向最大温度应力为2.2 N/mm2，均大于C30混凝土的抗拉强度标准值2.01 N/mm2； 其余各层楼板应力均小于2.01 N/mm2。 在2 层楼板板中配置抗温度应力钢筋，按照0.25%的配筋率配置双层双向拉通钢筋，同时，2 层框架梁、连续次梁及裙房大跨梁设置抗扭钢筋。

3）裙房屋面板施工时加强保温，减小环境温度变化对屋面的不利影响，减小温度应力。

4 结语

风雨操场体育馆上部钢结构屋盖与下部混凝土结构连接，采用两种不同力学模型对结构进行整体计算，并进行包络设计，结构各项参数均满足规范相关要求。 主馆屋盖采用平面钢管桁架结构形式，通过分析，该屋盖强度、稳定及变形均满足规范要求。 钢管桁架连接节点采用相贯焊连接，桁架支座与主体结构框架柱连接采用铰支座。 主馆和训练馆作为一个整体超长结构，应对楼板进行温度应力分析，并采取相应措施对结构进行加强，减小温度应力。