汕頭某體育館結(jié)構(gòu)設(shè)計

余楚江，王偉江，熊 偉

（1、廣州市設(shè)計院集團有限公司 廣州 510620；2、廣州市第二建筑工程有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

汕頭某體育館及配套設(shè)施項目位于汕頭市金平區(qū)。項目由體育館、接待中心和附屬停車樓組成，總建筑面積5.21萬m2。本文僅介紹其中的體育館。

體育館建筑面積2.95萬m2，地上4層，地下1層，建筑總高度為23.75 m，平面長度約217 m，寬度約84 m，共設(shè)置6 700個座位。首層層高6 m，主要功能為比賽場館、后勤服務(wù)區(qū)、多用途會議室、展示廳以及設(shè)備用房；二層層高4.5 m，主要功能為觀眾席及休息大廳；三層層高5.5 m，主要功能為聲光控制和媒體服務(wù)用房；四層層高3.5 m，主要功能為設(shè)備用房。其中，比賽場館三層通高，高度為16 m。體育館屋面傾斜延續(xù)至地面綠化景觀，形成供休憩的綠化開敞空間。建筑效果和剖面如圖1～圖2所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Effect

圖2 建筑剖面Fig.2 Architectural Section （mm）

本項目設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

2 荷載取值

2.1 恒荷載和活荷載取值

結(jié)合業(yè)主使用功能需求，本項目主要功能區(qū)域和鋼結(jié)構(gòu)屋面活荷載取值如表1 所示。其他活荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［1］取值，恒荷載根據(jù)實際取值。

表1 主要活荷載取值Tab.1 The Main Live Load Value

2.2 風(fēng)荷載

本項目位于汕頭市金平區(qū)，根據(jù)文獻［1］規(guī)定，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓ω0=0.8 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。下部主體結(jié)構(gòu)體型系數(shù)為1.4，金屬屋面體形系數(shù)，斜幕墻立面迎風(fēng)面為0.8，背風(fēng)面為-0.5，屋面為-0.8（參照文獻［1］表8.3.1 第4 項），側(cè)面-0.7（參照文獻［1］表8.3.1第2項），風(fēng)振系數(shù)為1.6。

2.3 地震作用

本項目位于汕頭市金平區(qū)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［2］，抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，根據(jù)工程場地地震安全性評價報告［3］，水平地震影響系數(shù)最大值取αmax=0.184，場地特征周期取Ts=0.40 s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)選型

本項目平面長度約217 m，寬度約84 m，屋面延續(xù)西側(cè)用地以外的綠化景觀，形成整體傾斜的坡屋面，作為公共活動平臺，最大高差為11.2 m，存在水平向推力，結(jié)合建筑平面，利用樓梯間、活動隔板儲藏間等形成剪力墻筒體，于建筑周邊均勻分散布置縱橫向剪力墻，提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)和抗扭剛度，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

體育場館屋蓋主受力結(jié)構(gòu)體系采用平面桁架+支撐體系，桁架支承于下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱上，屋面為輕鋼屋面；游泳場館屋面為公共活動空間，布置園林景觀，荷載重，結(jié)構(gòu)采用立體管桁架+鋼筋桁架樓承板的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計

本項目地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，結(jié)合地勘報告［4］揭露的工程地質(zhì)特點以及施工便利性等因素，基礎(chǔ)采用?500 靜壓高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，AB 型，壁厚125 mm，以全風(fēng)化或強風(fēng)化巖為樁端持力層，樁長為25～30 m，單樁豎向承載力特征值為2 000 kN，管樁兼做抗拔樁，單樁抗拔承載力特征值為400 kN。為了提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和整體性，承臺設(shè)置雙向拉梁。地勘報告揭露局部孤石位置，樁尖改用H 鋼1 型樁尖［5］，降低單樁豎向承載力，有效地減少了斷樁率。

3.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主體結(jié)構(gòu)框架柱主要截面為800 mm×800 mm、900 mm×900 mm，支撐屋蓋主桁架的框架柱截面為1 000 mm×1 000 mm。由于本項目抗震設(shè)防烈度高、風(fēng)荷載作用大，斜屋面產(chǎn)生水平向的推力，剪力墻的水平抗剪承載力要求高，剪力墻主要截面為600～900 mm，混凝土強度等級為C45。

樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，框架梁主要截面為600×（900～1 200）mm，樓板厚度主要為120 mm，首層、二層樓板大開洞、局部不連續(xù)范圍適當(dāng)加厚樓板至180 mm。屋面結(jié)構(gòu)平面如圖3所示。

圖3 屋面結(jié)構(gòu)平面Fig.3 Roof Structure Plan （mm）

某項目平面長度約217 m，寬度約84 m，為滿足建筑使用功能要求，整體結(jié)構(gòu)采用無縫設(shè)計，平面尺寸遠超《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010》［6］間距要求，平面內(nèi)溫度應(yīng)力不可忽略，結(jié)合建筑平面布置，首層利用游泳池平面高差位置，設(shè)縫脫開，釋放橫向水平約束，降低樓板的應(yīng)力水平，如圖4?所示；屋面結(jié)合游泳場館鋼桁架周邊樓板設(shè)縫斷開，桁架支座一側(cè)采用單向滑動球鉸支座，減少樓板溫度應(yīng)力的同時，避免鋼桁架與主體混凝土結(jié)構(gòu)豎向變形差異引起樓板附加應(yīng)力，如圖4?所示。

圖4 結(jié)構(gòu)設(shè)縫做法Fig.4 Deformation Joint Practice of Structure （mm）

結(jié)構(gòu)屋面為整體傾斜的坡屋面，最大高差達11.2 m，以17軸為最高點向兩邊傾斜，坡度為6°，在重力荷載長期作用下，傾斜坡屋面水平構(gòu)件存在軸線方向分力，對豎向構(gòu)件特別是剪力墻產(chǎn)生持久的水平推力，為考察水平推力的影響，分別建立坡屋面模型和平屋面模型進行分析，并取CQ1、CQ2 為研究對象，如圖3所示，重力荷載1.1×（1.2D+1.4L）作用下，水平剪力結(jié)果如表2所示。

表2 坡屋面和平屋面水平剪力結(jié)果對比Tab.2 Comparison of Horizontal Shear Results between Sloping Roof and Flat Roof

坡屋面產(chǎn)生的水平推力對剪力墻可產(chǎn)生有利或不利影響，這主要取決于剪力墻兩側(cè)框架梁產(chǎn)生的軸力差，以CQ1為例，平屋面兩側(cè)框架梁軸力相當(dāng)，分別為N1=842.9 kN 和N2=838.2 kN，而坡屋面兩側(cè)框架梁軸力差異較大，分別為N1=750.8 kN 和N2=1 156.0 kN。設(shè)計時，偏于安全考慮，對豎向構(gòu)件采用坡屋面和平屋面模型計算結(jié)果取包絡(luò)的做法。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計

本項目鋼結(jié)構(gòu)屋蓋包括兩部分：體育場館屋蓋及幕墻構(gòu)架、游泳場館屋蓋。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比限值取0.9；撓度及位移控制標(biāo)準：①柱頂位移允許值：H/150；②重力荷載作用下，桁架撓度限值為L/400（L為桁架跨度）；主檁條、鋼梁為L/250；屋面次檁條撓度為L/200；③桁架在重力荷載代表值和多遇豎向地震作用標(biāo)準值下的組合撓度值為L/250。構(gòu)件材質(zhì)均為Q345B鋼材。

3.4.1 體育場館屋蓋設(shè)計

體育場館屋蓋橫向跨度105.3 m，縱向跨度65.9 m，縱橫向跨度比達到1.6，荷載主要沿縱向（短跨）方向傳遞，呈單向受力特點，結(jié)構(gòu)采用沿縱向布置的平面桁架體系，為了保證主桁架平面外整體穩(wěn)定性，垂直于主桁架布置橫向邊桁架以及中部側(cè)向垂直支撐；考慮比賽場館凈高要求，結(jié)合屋面建筑造型，主桁架采用變截面形式，跨中高度為5.225 m，支座位置彎矩較小，高度為2.162 m，桿件采用焊接H 型鋼，下弦截面為H400×350×16×25，上弦截面為H400×400×18×22，跨中腹桿截面為H250×250×8×14，靠近支座位置剪力較大，腹桿截面為H300×300×10×16。為了減少主桁架上弦受壓桿平面外計算長度，提高穩(wěn)定性，兼作屋面系統(tǒng)的豎向支撐體系，沿垂直于主桁架方向布置屋面橫向水平支撐梁，兩端與桁架鉸接連接，梁跨約11.5 m，梁截面為H350×250×10×14，屋蓋結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 體育場館屋蓋結(jié)構(gòu)布置Fig.5 Structure Layout of Stadium Roof

不同于一般結(jié)構(gòu)，大跨度結(jié)構(gòu)對溫度作用具有一定的敏感性［7］，為減少溫度效應(yīng)的影響，釋放溫度荷載產(chǎn)生的水平力，同時減少桁架豎向變形對支座產(chǎn)生的水平力，降低支座的設(shè)計難度以及主體豎向支撐柱的截面，主桁架一端設(shè)置固定鉸支座，另一端采用單向滑動鉸支座或雙向滑動鉸支座，最大滑動位移為±100 mm，轉(zhuǎn)角設(shè)計值為0.03 rad，支座大樣如圖6所示。

圖6 比賽場館桁架支座大樣Fig.6 The Support Sample of the Truss to Competition Venue （mm）

3.4.2 游泳場館屋蓋設(shè)計

游泳場館屋面為上人綠化屋面，荷載重，下部凈空要求高，屋蓋主體結(jié)構(gòu)采用魚腹式立體管桁架+鋼筋桁架樓承板的結(jié)構(gòu)形式，垂直于桁架上弦布置側(cè)向水平鋼梁，桁架體系布置如圖7所示。

圖7 游泳場館管桁架布置Fig.7 Pipe Truss Layout of Swimming Pool

立體管桁架跨度46.5 m，采用上弦支撐形式，跨中高度3.95 m，支座位置高度為2.0 m，下弦截面為?750×35，上弦截面為?550×25，腹桿截面為?219×7，下弦水平支撐截面為?299×10，鋼梁截面為H350×250×10×14。管桁架一端設(shè)置固定鉸，另一端設(shè)置單向滑動鉸支座，以釋放沿桁架方向的溫度應(yīng)力，最大滑動位移為±50 mm，轉(zhuǎn)角設(shè)計值為0.03 rad。

為了保證屋面的平接，管桁架支撐于主體結(jié)構(gòu)框架柱邊的鋼牛腿上，框架柱內(nèi)對應(yīng)鋼牛腿位置上下1.0 m 范圍內(nèi)設(shè)置H 型鋼骨，一方面可保證鋼牛腿與框架柱的可靠連接；另一方面桁架豎向和水平荷載作用下，框架柱附加彎矩及剪力作用大，節(jié)點受力復(fù)雜，型鋼骨可提高框架柱的承載力及延性，實現(xiàn)“強節(jié)點”的目標(biāo)，節(jié)點做法如圖8所示。

圖8 游泳場館管桁架支座大樣Fig.8 The Support Sample of the Pipe Truss to Swimming Pool （mm）

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50017—2003》［8］，管桁架弦桿與腹桿的連接節(jié)點采用軸心相連的相貫連接方式，減小偏心連接引起的附加彎矩的影響，節(jié)點連接如圖9?所示；鋼筋桁架樓承板通過在上弦桿焊接［32c 槽鋼，并按間距設(shè)置栓釘與桁架進行可靠連接，連接做法如圖9?所示；鋼梁通過設(shè)置連接板與上弦鉸接連接，做法如圖9?所示。

圖9 立體管桁架關(guān)鍵連接節(jié)點Fig.9 Key Connection Nodes of Three-dimensional Pipe Truss （mm）

4 結(jié)構(gòu)計算分析及結(jié)果

本項目整體和下部混凝土主體結(jié)構(gòu)主要采用SATWE 進行分析，并采用SAP2000 進行整體參數(shù)對比校核。根據(jù)地震安全性評價報告［3］提供的地震波采用SATWE 程序進行多遇地震下的彈性時程分析。計算嵌固端為基礎(chǔ)面。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用SAP2000 進行整體分析與設(shè)計，且采用上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋+下部混凝土主體結(jié)構(gòu)的完整模型，以充分考慮下部主體結(jié)構(gòu)剛度約束的影響，并與屋蓋單獨模型進行包絡(luò)設(shè)計。

4.1 整體計算結(jié)果

本工程存在樓板大開洞，傾斜屋面、夾層、穿層墻柱等不規(guī)則情況，結(jié)構(gòu)計算采用空間結(jié)構(gòu)計算模型。計入雙向水平地震作用下扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)地震效應(yīng)的影響，阻尼比取0.04，計算振型數(shù)取結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)大于90%以上。

由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)周期比、層間位移角、剪重比等指標(biāo)均滿足文獻［2］的要求，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍內(nèi)，水平荷載作用主要是由剪力墻承擔(dān)。

4.2 小震彈性時程分析結(jié)果

彈性時程分析采用地震安全性評價報告［3］提供的地震波，選用3 條天然波TH2TG040、TH3TG040 和TH4TG040，3 條人工波USER475、USER501 和USER2500，地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法地震影響系數(shù)曲線相符，時程分析輸入地震加速度最大值80.2 cm/s2。

分析結(jié)果表明，小震彈性時程分析與規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法計算得到的基底剪力相差不大，滿足文獻［2］第5.1.2 條要求。設(shè)計時根據(jù)小震彈性時程分析計算結(jié)果調(diào)整層剪力，其結(jié)果偏于安全，滿足要求。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋計算分析

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計考慮了恒載、使用活載、水平風(fēng)荷載、豎向風(fēng)荷載、水平地震、豎向地震、溫度效應(yīng)等荷載工況及其組合。其中體育場館屋蓋考慮±30°，游泳場館屋蓋考慮+25 ℃和-15 ℃的溫差作用。整體模型中，阻尼比取0.04；鋼結(jié)構(gòu)屋蓋單獨計算模型中，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋按整體模型和單獨模型進行包絡(luò)設(shè)計。

4.3.1 體育場館屋蓋計算結(jié)果

體育場館屋蓋跨度較大，構(gòu)件的承載力留有一定的安全度，嚴格控制主桁架構(gòu)件應(yīng)力比［9］。計算結(jié)果顯示，上弦的最大應(yīng)力比為0.738，下弦的最大應(yīng)力比為0.852，出現(xiàn)在臨近跨中位置，腹桿的最大應(yīng)力比為0.795，為支座位置，其他一般構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.878，均滿足小于0.9的設(shè)計要求。

標(biāo)準組合（1.0 恒載+1.0 活載）工況下，主桁架的撓度如表3所示。主桁架的撓度最大為103 mm，最大撓跨比為1/554；屋面鋼梁的最大撓度為36 mm，最大撓跨比為1/345，豎向剛度較好。

表3 主桁架撓度計算結(jié)果Tab.3 Deflection of the Main Truss

4.3.2 游泳場館屋蓋計算結(jié)果

游泳場館屋蓋覆土重，使用荷載大，且凈空要求高，管桁架應(yīng)力計算結(jié)果顯示，上弦最大應(yīng)力比0.785，下弦最大應(yīng)力比0.834，腹桿最大應(yīng)力比0.754，桿件應(yīng)力比均較大，但仍滿足不大于0.9的設(shè)計要求。

標(biāo)準組合（1.0 恒載+1.0 活載）以及多遇豎向地震作用工況下，管桁架的撓度如表4所示。豎向地震工況起控制作用，該工況下管桁架的撓度為132 mm，撓跨比為1/352＜1/250，滿足設(shè)計要求；標(biāo)準組合工況下的最大撓跨比1/366＞1/400，施工時管桁架預(yù)起拱50 mm；屋面鋼梁的最大撓度為25 mm，最大撓跨比為1/340，豎向剛度較好［10］。

表4 管桁架撓度計算結(jié)果Tab.4 Deflection of Pipe Truss

5 超長結(jié)構(gòu)樓板應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)未設(shè)置伸縮縫，設(shè)計時考慮溫度效應(yīng)。主屋面考慮+25 ℃和-15 ℃溫差作用。采用YJK 進行了樓板應(yīng)力分析，降溫15 ℃工況下，樓板大部分應(yīng)力小于C30 混凝土抗拉強度1.43 MPa；局部應(yīng)力較大區(qū)域加強樓板配筋［11］。

針對結(jié)構(gòu)超長情況，設(shè)計中采用了以下措施［12］：①設(shè)置縱橫向后澆帶，13條后澆帶將屋面分為12個區(qū)域，每個區(qū)域控制在40 m×40 m的范圍，后澆帶混凝土強度等級比兩側(cè)的混凝土強度等級提高一級；②合理選擇混凝土強度等級，在滿足設(shè)計強度的前提下，采用相對低標(biāo)號、低水化熱水泥的混凝土，減少水泥用量，本工程采用C30 混凝土；③在混凝土中摻加適量的高性能膨脹抗裂外加劑，增強混凝土的抗伸縮能力；④適當(dāng)增大樓板長向配筋，配置12@150通長底、面筋。

6 結(jié)論

⑴本項目下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，體育場館屋蓋采用平面桁架，游泳場館屋蓋采用立體管桁架，桁架與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置滑動支座，結(jié)構(gòu)布置合理，受力體系明確。

⑵本項目屬于空間結(jié)構(gòu)體系，采用整體模型進行計算分析，并采用多個軟件進行對比校核，結(jié)構(gòu)周期、位移、剛度等指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

⑶結(jié)構(gòu)屋面整體傾斜，針對傾斜產(chǎn)生的長期水平推力對剪力墻的影響進行了計算分析，對豎向構(gòu)件采用坡屋面和平屋面模型計算結(jié)果取包絡(luò)、適當(dāng)加強剪力墻水平分布筋配置的措施，確保結(jié)構(gòu)安全。

⑷鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用整體模型和屋蓋單獨模型進行計算分析和包絡(luò)設(shè)計，構(gòu)件應(yīng)力比和撓度均滿足規(guī)范限值要求，且具有一定的安全富裕度。

⑸結(jié)構(gòu)平面尺寸超長，針對首層及屋面超長結(jié)構(gòu)，采取結(jié)合建筑功能設(shè)置伸縮縫、嚴格按規(guī)范尺寸設(shè)置后澆帶、選擇低標(biāo)號混凝土并適當(dāng)添加抗裂外加劑、根據(jù)溫度應(yīng)力分析結(jié)果加強樓板配筋等結(jié)構(gòu)措施，投入使用以來，梁板均未出現(xiàn)任何明顯開裂。