大跨度拱桁架支座應(yīng)力分析

夏堯，高斌斌，李元，黃秀亮

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

伴隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和日益多元化的文化形態(tài)的出現(xiàn)，以及國家全民健身計劃的落實，近幾年我國大力推進(jìn)體育基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和完善，以此滿足各地區(qū)居民對體育健身、休閑娛樂等各方面日益增長的需求，從而為實現(xiàn)全民健康、健康中國提供最基本的支持。

2 工程概況

本工程為某縣級體育中心，建筑面積約3×104m2，固定座位數(shù)約1.5萬個，分為東、西2個結(jié)構(gòu)單元，西側(cè)為體育場主看臺，東側(cè)為相關(guān)服務(wù)配套用房；體育場主看臺下部為混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂部鋼罩棚為大跨度拱桁架。鋼罩棚立體桁架結(jié)構(gòu)的懸挑長度約為18 m，建筑最高點標(biāo)高約50 m。

3 設(shè)計方案

本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度[1]，設(shè)計基本地震加速度0.10g，因該建筑抗震設(shè)防類別為重點類，故地震作用計算采用7度0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類，Tg=0.55 s，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08?；撅L(fēng)壓（10 m高度，50年基準(zhǔn)期）0.45 kN/m2[2]，地面粗糙度類別：B類。

根據(jù)建筑方案和實際情況的需要，頂部鋼罩棚主要分成3部分：（1）起裝飾作用的裝飾拱；（2）為主要受力結(jié)構(gòu)的前拱桁架；（3）通過次桁架與前拱桁架連接的后拱桁架。結(jié)構(gòu)各部分傳力明確，組成一個完整的受力體系。后拱桁架通過V形拉桿與下部混凝土柱相連，此混凝土柱為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，為本工程設(shè)計中的關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)計時采用型鋼混凝土柱，計算應(yīng)保證柱應(yīng)力和柱頂變形滿足規(guī)范要求，并留有一定的安全儲備。而另一抗側(cè)力構(gòu)件即為裝飾拱和前拱桁架的端部的混凝土拱腳支座，此拱腳支座需承受前拱桁架的傳遞水平推力和風(fēng)荷載在吸力工況下產(chǎn)生的上拔力。

4 應(yīng)力分析

本工程鋼罩棚荷載包括結(jié)構(gòu)自重、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用、溫度荷載、吊掛荷載等。采用Midas Gen軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計算，前拱桁架及后拱桁架的拱腳支座邊界條件采用鉸接計算，從整體模型中提取拱腳支座處反力，詳見表1。

表1 拱腳支座反力表

根據(jù)工程經(jīng)驗，對于此類大跨度鋼結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載均為主要控制荷載之一，本工程計算時考慮雙向地震作用，經(jīng)計算表明，地震作用在上部鋼罩棚計算中不屬于控制荷載。根據(jù)規(guī)范要求及工程的實際情況，本工程對上百種不同的工況組合進(jìn)行了計算分析，現(xiàn)選取幾組典型的工況組合進(jìn)行應(yīng)力分析，具體工況組合詳見表2。

本工程拱腳支座的應(yīng)力分析采用Midas Fea有限元軟件，拱腳支座采用實體模擬，有限元模型如圖1所示。拱腳支座底部約束情況按固接計算，上部鋼罩棚荷載以點荷載形式作用于支座處，拱腳支座應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表2 設(shè)計工況組合

圖1 體育場結(jié)構(gòu)模型

表3 拱腳應(yīng)力計算結(jié)果MPa

根據(jù)表3計算結(jié)果可知，在工況2的荷載組合下，拱腳支座處應(yīng)力計算結(jié)果最不利。通過應(yīng)力圖2所示可知，拱腳支座壓應(yīng)力值較大處出現(xiàn)在拱肋和拱腳結(jié)合處；按照本工程實際受力情況，拱腳支座受到的荷載并非對稱荷載，拱腳側(cè)面角點處主拉應(yīng)力最大，最大值為2.67 MPa，主拉應(yīng)力由角點向X、Y、Z3個方向逐漸減小，因此在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，可根據(jù)此有限元分析結(jié)果，合理配置拱腳區(qū)域基礎(chǔ)配筋，以防止因拉應(yīng)力過大導(dǎo)致拱腳支座基礎(chǔ)混凝土開裂。

圖2 拱腳支座有限元實體模型及工況2作用下拱腳支座應(yīng)力圖

5 基礎(chǔ)設(shè)計

拱腳支座基礎(chǔ)設(shè)計時需考慮前拱桁架傳遞的水平推力，常見的處理方法[3，4]有：設(shè)置預(yù)應(yīng)力索、打斜樁、設(shè)置巖石錨桿等。設(shè)置預(yù)應(yīng)力索的方法一般情況下適用于落地拱桁架；本工程在設(shè)計階段的場地勘探深度，未見巖石層，因此基于本工程的實際情況和當(dāng)?shù)厥┕l件，這幾種常見的處理方法在使用中都有一定的局限性。結(jié)合建筑方案與實際地質(zhì)條件綜合考慮，本工程拱腳支座采用混凝土擴展基礎(chǔ)方案，如圖3所示。通過利用拱腳支座處的建筑造型，將上部造型與底部基礎(chǔ)設(shè)計為一個整體，增加此處支座基礎(chǔ)的自重，通過基礎(chǔ)的自重、基礎(chǔ)底部摩擦力及基礎(chǔ)周圍的土壓力來平衡前拱桁架傳遞的水平推力，以達(dá)到控制拱腳支座處位移的目的。本工程拱腳支座處水平推力標(biāo)準(zhǔn)值為6 200 kN，拱腳支座基礎(chǔ)出地面造型部分的高度超過10 m，下部基礎(chǔ)埋置深度為-3.5 m，經(jīng)計算，滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

圖3 拱腳支座基礎(chǔ)示意圖

體育場上部的大跨度拱桁架鋼罩棚受風(fēng)荷載作用明顯，受力形式復(fù)雜，本工程中受建筑造型限制，后拱桁架不落地，與型鋼混凝土柱鉸接連接，對整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能產(chǎn)生了一定的影響，故前拱桁架的拱腳支座為設(shè)計中的一個關(guān)鍵節(jié)點。本工程通過整體結(jié)構(gòu)計算及有限元計算對拱腳支座節(jié)點的受力進(jìn)行分析，有針對性地對拱腳支座基礎(chǔ)薄弱部位進(jìn)行加強設(shè)計，保證節(jié)點的受力合理并提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。