某體育館鋼屋蓋的結構設計分析

黃秀亮，趙明，林家民，汪胤雅

（1.中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601；2.浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江 紹興 312030）

1 工程概況

本項目建筑面積約1.8×104m2，固定座位數(shù)約6 000 個，建筑物高度32.021 m，其外形呈橢圓形。下部采用鋼筋混凝土框架結構；屋蓋采用雙向桁架結構體系，最長處約132 m，最寬處約91 m，其效果圖如圖1 所示。

圖1 體育館效果圖

本工程抗震設防類別為乙類，建筑結構安全等級為一級。所在地區(qū)的抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組：第二組；場地類別：Ⅲ類。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2015 年版）[1]，本工程的抗震等級為一級。50 年一遇的基本風壓：0.45 kN/m2，地面粗糙度：B 類。建筑物耐火等級為一級。

工程所在地的基本氣溫最高值為37 ℃，最低值為-8 ℃，因而分別按照升溫27 ℃，降溫28 ℃考慮，鋼結構的施工合龍溫度為（15±5）℃。

2 計算假定與計算分析內容

計算假定：體育館鋼結構屋蓋落于混凝土柱頂上，在模型中采用彈性連接模擬[3]。

計算分析采用Midas Gen 2019V2.1 有限元計算軟件，對鋼屋蓋和下部結構進行整體合模計算分析，主要計算內容如下：

1）對結構進行靜力分析，結構構件根據(jù)重要性不同，采取不同的應力比控制指標，以保證對結構安全性比較關鍵的構件有較大的安全儲備。

2）對常遇地震下結構的強度及穩(wěn)定性進行計算分析，按照彈性設計控制，地震分析方法為反應譜法。

3 應力計算結果

1）桁架弦桿應力比分析結果見圖2。由圖2 可知，桁架弦桿最大應力比為0.76，滿足應力比控制要求。

圖2 桁架弦桿應力比圖

2）桁架腹桿應力比分析結果見圖3。由圖3 可知，桁架腹桿最大應力比為0.85，滿足應力比控制要求。

圖3 桁架腹桿應力比圖

4 位移計算結果

荷載作用下的最大位移見表1。

表1 荷載作用下的最大位移

由此可知，體育館鋼結構屋蓋在組合荷載作用下最大變形出現(xiàn)在跨中區(qū)域，最大豎向變形為121.08 mm=1/679＜1/250；懸挑處變形為20.34 mm=1/270＜1/125，均滿足GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[2]的要求。

5 穩(wěn)定性計算結果

由于本工程結構比較復雜，為保證結構的整體穩(wěn)定性，對鋼桁架進行了屈曲分析，通過屈曲分析計算其屈曲模態(tài)以及易發(fā)生屈曲的位置，進而判斷結構的整體穩(wěn)定性。

屈曲分析時，結構的約束條件與反應譜分析時一致，對于鋼結構屋蓋考慮1.0 恒載+1.0 全跨活荷載作為結構的初始荷載；根據(jù)結構第一階屈曲模態(tài)分布考慮結構的初始幾何缺陷，鋼結構屋蓋的初始幾何缺陷按屋蓋跨度的1/300 考慮。根據(jù)屈曲分析結果，確定對結構整體穩(wěn)定性造成影響的最小階屈曲因子和屈曲模態(tài)。

前二階屈曲分析結果如下：

1）第一階屈曲模態(tài)

第一階屈曲模態(tài)變形圖如圖4 所示。

由圖4 可知，在1.0 恒+1.0 全跨活荷載組合作用下，結構的第一階模態(tài)為屋蓋區(qū)域局部桿件面內屈曲失穩(wěn)，此時屈曲模態(tài)所對應的特征值為12.0，即在線彈性（不考慮幾何和材料非線性）情況下，結構發(fā)生圖示模態(tài)屈曲失穩(wěn)時的臨界荷載值為12.0（1.0 恒+1.0 全跨活荷載）。

圖4 第一階屈曲模態(tài)變形圖（屈曲因子為12.0）

2）第二階屈曲模態(tài)

第二階屈曲模態(tài)變形圖如圖5 所示。

由圖5 可知，在1.0 恒+1.0 全跨活荷載組合工況作用下，結構的第二階模態(tài)為屋蓋區(qū)域局部桿件面內屈曲失穩(wěn)，此時屈曲模態(tài)所對應的特征值為12.4，即在線彈性（不考慮幾何和材料非線性）情況下，結構發(fā)生圖示模式屈曲失穩(wěn)時的臨界荷載值為12.4（1.0 恒+1.0 全跨活荷載）。

圖5 第二階屈曲模態(tài)變形圖（屈曲因子為12.4）

通過對結構進行屈曲分析，結果表明，結構前二階屈曲因子均較大，屈曲承載力較高，結構整體穩(wěn)定性較強，可以滿足相關設計要求。

6 結語

體育場館在結構分析中需要將鋼屋蓋與下部混凝土結構組合進行空間整體分析，才能與實際受力情況較為吻合[4]。體育場館一般屬于超長結構，在結構設計中不僅需要需考慮恒荷載、活荷載、風荷載、地震的作用，還需要考慮溫度作用對結構構件內力分布以及變形的影響。本工程在設計過程中采用了空間有限元軟件進行了整體分析，各項指標均能滿足規(guī)范要求。該館鋼屋蓋已吊裝使用，取得了預期的效果。