摘 要:大跨度空間結構是目前發(fā)展最快的結構類型之一,其技術的發(fā)展是一個國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標準和建筑科技水平的重要標準之一。當跨度增大時,空間結構就越能顯示出其優(yōu)異的技術經(jīng)濟性能。近年來,大跨度空間結構設計的理論和技術水平得到了交大的提高。本文將對濰坊市體育中心—體育場的結構體系的設計進行闡述,以期對類似工程有參考作用。
關鍵詞:大跨度空間鋼管桁架結構設計
1、工程概況
濰坊市體育中心—體育場項目是濰坊市為2009年第十一屆全國運動會規(guī)劃建設的重點體育設施項目。體育場位于濰坊市濰城區(qū)的核心地區(qū),北宮西街北側,安順路東側,臥龍街南側,清平路西側。
整個體育場為六層鋼筋混凝土框架結構,看臺共三層,看臺罩蓬為大跨度鋼桁架結構承重結構體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺罩蓬的結構設計。
體育場看臺罩蓬平面呈橢圓形,屋蓋為四分之一圓弧形,長軸263米,短軸240米,東西側設有落地拱形金屬拱形屋蓋,覆蓋整個東西兩側觀眾席,落地拱長300米,最大進深63.5米,落地拱高70米,看臺最高點標高35.4m,金屬屋面高57米。看臺罩蓬面積約為20000平方米。全場可容納觀眾約45000人。見圖1
濰坊市體育中心—體育場效果圖
2、結構概況
體育場看臺罩蓬結構體系可分為縱,橫向結構體系,縱向結構體系為單榀曲面拱形管桁架,桁架跨度L=300米,矢高f=70米,矢跨比f/L=1/42.8,較一般桁架矢跨大,剛度較好,桁架橫截面為三根鋼管弦桿組成的正三角形,單?鋼管軸線平面投影為曲線,與平行拱相比,其建筑造型更為優(yōu)美。橫向結構體系為跨度為約27米~63.5米不等的18榀懸挑剛架和7道縱向環(huán)梁。各剛架之間的間距為8米~10.5米不等。剛架梁和剛架柱都為單根鋼管,梁和柱平面內(nèi)設置斜撐,斜撐上點約在距梁柱節(jié)點5米處,下點位于柱腳處??v向環(huán)梁為單根鋼管,剛接在剛架梁上,同時可作為鋼架梁的平面外支撐,保證剛架的側向穩(wěn)定和剛架的整體穩(wěn)定。每榀剛架與拱形桁架的平面內(nèi)設置兩根鋼拉桿和一根斜撐,拉桿上節(jié)點在桁架的上弦節(jié)點,下拉點在剛架的前懸挑端4~6米處,斜撐上拉點位于近剛架內(nèi)側桁架上弦節(jié)點,下拉點在剛架的前懸挑端約15米處。連接節(jié)點均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管,節(jié)點均為相貫面焊接。該結構由拱形桁架,懸挑剛架和環(huán)梁通過鋼拉桿和斜撐連接在一起,形成一個完整的自平衡體系,同時兩種結構體系的相互作用,使兩者具有變形協(xié)調(diào)的關系,較好地控制了結構體型的變形,不僅大幅度降低了剛架的豎向撓度,而且有效提高了結構的穩(wěn)定承載力。同時,簡潔有序的幾何構形同時取得了建筑美學效果。由于體育場看臺罩蓬的橫結構體系類似于平面受力體系,由拱形桁架,剛架,和縱向環(huán)梁和拉桿組成的構件,在縱橫向有較大的剛度。該結構具有結構輕盈,鋼結構構件類型少的特點,具體結構平面圖和剖面圖布置如下:見圖2,圖3
3、 荷載和作用
3.1設計使用年限與安全等級圖
按照相關要求和設計規(guī)范,結構耐久性設計年限為50年,設計基準期為50年,結構重要性系數(shù)為1.0,建筑耐火等級為一級。看臺罩蓬鋼結構的安全等級提高為一級,結構重要性系數(shù)為1.1。
3.2恒荷載與活荷載
恒荷載包括結構自重,屋面檁條,屋面板以及涂層和焊縫的質(zhì)量。其中結構構件自重由輔助計算的程序自動計算,其他恒荷載按面荷載0.4kN/m2考慮?;詈奢d按面荷載0.4kN/m2考慮,考慮屋面活荷載分布不均勻性的影響,設計時采用半跨活荷載考慮其不利影響。
3.3 地震作用
抗震設防烈度為7度,設計基本加速度為0.15g,設計地震分組為第一組,建筑抗震設防為乙類,設計基準期為50年??辈靾蟾骘@示該地區(qū)場地類別為Ⅱ類,特征周期值為0.35S,上部看臺罩蓬鋼結構阻尼比為0.2。
3.4 風荷載
根據(jù)GB50009-2001 《建筑結構荷載規(guī)范》(2006年版),本工程取50年一遇的基本風壓W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度類別為B類。由于結構為大跨度結構,周邊基本敞開未封閉,其上下表面均受風的作用,風荷載分布較為復雜,通過比較,風向角為0°,45°,60°,90°時風的分布對結構設計最為不利。風壓高度變化系數(shù)由程序自動計算,設計時取風振系數(shù)為1.6。
3.5荷載工況組合
結構設計組合考慮了正負30度溫差效應,水平地震,各風向角等工況,采用的荷載工況組合形式共計50多種,溫度效應對大跨度空間結構影響較大,而現(xiàn)規(guī)范對溫差效應無明確規(guī)定,根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及參考相應規(guī)范,承載能力極限狀態(tài)荷載效應組合時,溫度效應組合系數(shù)取1.2,考慮到最不利溫差與活荷載,地震,風,雪等作用同時發(fā)生的可能性很小,與上述荷載組合時組合系數(shù)取0.6,正常使用狀態(tài)組合時組合系數(shù)取1.0恒載+1.0溫差效應。對于正常使用極限狀態(tài),計算結構位移取標準組合。
四、結構整體計算與設計
通過CAD為操作平臺,根據(jù)實際結構中個桿件的空間位置建立模型,其整體模型如下圖,(見圖4)再根據(jù)上述條件,荷載及組合對結構進行整體計算,由計算確定的主要結構桿件截面如下:1)拱形管桁架部分:上弦截面尺寸為¢711x16,下弦截面尺寸為¢801x16, 靠近拱腳部位腹桿截面尺寸為¢508x16, 中間腹桿截面尺寸為¢355x10,拉桿和斜撐截面尺寸分別為¢457x12, ¢508x16。2)剛架部分:1~3榀柱和梁截面尺寸均為¢801x20,斜撐截面尺寸為¢610x16, 4~6榀柱和梁截面尺寸分別為¢801x20和¢912x20,斜撐截面尺寸為¢610x16,7~9榀梁和柱截面尺寸分別為¢912x20和¢910x20, 斜撐截面尺寸為¢865x20。3)屋面環(huán)梁截面尺寸均為¢560x16。以上所有桿件材質(zhì)均為Q345C,工程采用同濟大學的3D3S9.0結構設計軟件對看臺罩蓬鋼結構和單元構件進行了整體分析計算,其分析 結果如下:
大跨度屋蓋結構 三維軸側圖
4.1結構振動特性
表一 結構自振周期
可以看出鋼罩蓬結構的前三階振型以整體平動和豎向振動為主,第一振型為橫向平動,周期為0.7968s,說明豎向剛度較大而水平剛度較小,第二振型為整體豎向振動,說明結構的整體性能較好,第三振型為屋蓋彎曲變形振動,彎曲變形振動形式嚴格按照對稱布置,周期為0.6026s,其后頻譜較密集,結構整體性強,局部振型不明顯。表明結構的整體剛度大,剛度和質(zhì)量分布均勻。