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廣州市花都東風體育館鋼結構設計

作者：劉雪兵 區(qū)彤    
時間：2013-09-29 13:47:12 [收藏]
廣州市花都東風體育館采用肋環(huán)型穹頂結構體系，由徑向空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在三角桁架外側(cè)的上下弦桿中布置預應力拉索以平衡上部屋面結構向外的水平力
    關鍵詞：廣州市花都東風體育館
    摘　要：廣州市花都東風體育館采用肋環(huán)型穹頂結構體系，由徑向空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在三角桁架外側(cè)的上下弦桿中布置預應力拉索以平衡上部屋面結構向外的水平力，減輕下部支撐結構的負擔；受拉圈梁支承于環(huán)向布置的人字柱；通廊部分的主要結構為Y型環(huán)向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。計算分析表明：環(huán)向預應力的布置使屋蓋部分結構基本處于結構自平衡狀態(tài)，結構自重得以減輕，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效果。
        關鍵詞：大跨度鋼結構；環(huán)向預應力；萬向銷軸鉸支座
        1  工程概況
        廣州市花都區(qū)東風體育館工程建設場地位于花都汽車城風神大道的南側(cè)，康體公園（飛鵝嶺）的北側(cè)。本工程主要包括比賽館和訓練館(不設地下室)。比賽館地上四層，固定席位7780個；訓練館為地上二層（二層樓面結構標高5.450m）。建筑基底面積21685㎡ ，總建筑面積37516㎡，工程總投資約4.1億。建成后還將與其南側(cè)計劃興建的康體公園融為一體，亞運會后將成為花都中心城區(qū)西部文化體育中心，同時也可以成為汽車城工業(yè)產(chǎn)品的展覽展銷平臺，充分發(fā)揮該場館的賽后作用。
    兩館下部結構為鋼筋混凝土框架結構，由框架柱支承鋼結構屋蓋。本工程總用鋼量約2800t，其中比賽館約2200t，屋蓋主體結構用鋼量87kg/㎡；訓練館約600t，屋蓋主體結構用鋼量75kg/㎡。

    本文主要介紹比賽館的鋼結構設計情況。


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    圖1  花都東風體育館效果圖

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    圖2  花都東風體育館室內(nèi)實景圖
    2  結構選型及布置
    花都東風體育館比賽館平面為圓形，結構雙軸對稱。由兩圈鋼管柱支承，分別分布在直徑為97.2m和116m的圓上，屋蓋高為33.1m。矢高約27m，內(nèi)圈矢跨比為1/8.8。屋蓋采用肋環(huán)型穹頂結構體系，由徑向變高度、變厚度空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在外側(cè)的上下弦桿中布置預應力拉索以平衡上部屋面結構產(chǎn)生的水平力，減輕下部支撐結構的負擔；底部受拉圈梁支承于環(huán)向布置的V字柱上，柱頂節(jié)點采用鑄鋼件，柱腳采用銷軸支座，釋放徑向轉(zhuǎn)角；觀眾休息大廳主要結構為Y型環(huán)向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。V字柱柱腳支撐于11.690m的混凝土圈梁上，Y型環(huán)向布置的人字柱支撐于下部5.450m混凝土平臺上。
    訓練館平面為圓形，結構總高度17.6m，跨度56m，矢高11.5m，矢跨比1/5。因為訓練館內(nèi)吊掛荷載無特殊要求且跨度未超60m，因此訓練館屋蓋采用由徑向箱型鋼梁、環(huán)向箱型鋼梁和支撐組成單層空間球面網(wǎng)殼結構。柱腳采用銷軸連接，徑向釋放轉(zhuǎn)角。
    比賽館具體結構布置如下圖3

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    圖3  花都東風體育館鋼結構軸側(cè)圖

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    圖4  廣州市花都東風體育館鋼結構主桁架剖面圖

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    圖5  訓練館基本受力單元

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    圖6  人字柱實景圖

    3  結構主要設計參數(shù)
    3.1 結構設計等級
    建筑結構的安全等級：一級;結構重要性系數(shù)：γ0＝1.1。
    建筑抗震設防類別：乙類，設計地震分組為第一組。
    建筑結構構件耐火等級：二級.
    3.2 結構設計年限
    結構設計基準期為50年，結構設計使用年限為50年。
    3.3 結構設計荷載或作用
    抗震設防基本烈度為6度，需根據(jù)擬建場地安評報告取用相應的地震作用。
    基本風壓：50年重現(xiàn)期的基本風壓值0.50kN/m2，用于正常使用極限狀態(tài)驗算；100年重現(xiàn)期的基本風壓值0.60kN/m2，用于承載能力極限狀態(tài)驗算；地面粗糙度為B類；風荷載作用取值依據(jù)風洞試驗。計算中取其中8個風向角作用下風荷載進行計算。
    屋面附加恒載：0.65kN/㎡；
    馬道荷載：包括馬道自重、強電燈具等；
    屋面活荷載：0.5kN/m2；
    對室內(nèi)超長的混凝土結構取整體溫差±15°;
    對鋼結構屋蓋取整體設計溫差溫差：±30°；同時考慮局部溫差±5°進行溫度作用分析。
    3.4 結構分析軟件及用途：
    SATWE\下部結構的混凝土部分分析計算及配筋;
    MIDAS\上部鋼結構屋蓋的計算分析、整體模型的計算分析、模態(tài)分析、屈曲分析、非線性分析、時程分析等;
    ANSYS\節(jié)點計算分析、整體穩(wěn)定性分析.
    4  分析結果
    4.1 模態(tài)分析
    結構動力分析是衡量結構質(zhì)量與剛度布置是否合理的重要指標。通過對整個結構進行自振動分析可以看出：1) 前幾階振型均為豎向振型且自振頻率密集；2) 結構振型以中間大跨穹頂?shù)呢Q向振動為主，說明豎向結構剛度較弱；這些特點與其它大跨空間結構非常一致。

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    圖7  廣州市花都東風體育館模態(tài)分析結果

    4.2 非線性屈曲分析
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    圖8  第一階屈曲模態(tài)

    《網(wǎng)殼結構技術規(guī)程》4.3.1規(guī)定結構厚度較薄的雙層網(wǎng)殼應做穩(wěn)定性計算。結構厚度較薄的雙層網(wǎng)殼對缺陷亦較敏感，故應進行非線性全過程分析。考慮初始缺陷的穩(wěn)定分析：根據(jù)特征值屈曲分析結果，取第一階模態(tài)作為初始缺陷的1/300進行幾何非線性荷載-位移的全過程分析。第一階屈曲荷載系數(shù)為7.5x0.85=6.375滿足網(wǎng)殼規(guī)范中穩(wěn)定系數(shù)大于5得要求。
    4.3 多遇地震作用下彈性時程分析
    選用下列兩條實際場地波和一條人工波采用一維輸入（X，Y向分別作用）：
    SH1  ELCENTRO，加速度峰值：341.7cm/s2；
    SH2  蘭州波1， 加速度峰值：196.2341.7cm/s2；
    SH3  場地地震安全性評價報告提供的人工波，加速度峰值：27.75341.7cm/s2；
    選取地震波的最大加速度值調(diào)整為多遇地震的最大值27.75gal，進行結構的彈性時程分析。地震作用內(nèi)力見下表1。

    表1  地震作用內(nèi)力

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    通過對比反應譜分析和時程分析結果發(fā)現(xiàn)，總體來說：反應譜分析所得底部剪力??；整體位移：X向地震作用時，時程分析結構位移較反應譜分析略大；Y向地震作用時，時程分析和反應譜分析所的結構位移接近；補充對結構進行時程分析設計計算，各地震波采用三維輸入:SH(Y向)+0.85SH(X向)+0.65SH(Z向)。
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    圖9  SH1（X向作用）－5235節(jié)點位移時程曲線
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    圖10  SH1（Y向作用）－7258節(jié)點位移時程曲線

    4.4 中震彈性計算分析
    中震彈性采用反應譜法進行計算分析。反應譜法采用在定義相應的小震反應譜基礎上輸入放大系數(shù)3.72（即0.05×3.72＝0.186），使地震影響系數(shù)最大值為0.186；
    經(jīng)過計算分析，整體結構在中震反應譜和中震時程的作用下，結構包絡位移為86mm，屋面構件包絡應力比0.84，大門立柱包絡應力比0.3；結構仍處于彈性工作狀態(tài)下，結構抗震性能良好。
    5 節(jié)點設計
    5.1萬向銷軸支座節(jié)點
    比賽館外圈萬向鉸支座節(jié)點。該節(jié)點由銷軸和關節(jié)軸承組合而成。關節(jié)軸承主要應用于機械設計制造領域，目前在建筑工程領域的應用還處于起步階段，無相關的規(guī)范可以參照。該支座節(jié)點的設計應確保結構在荷載作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角進行完全釋放；并能夠傳遞軸力和剪力。設計中對這個節(jié)點考慮一定的安全儲備，并且同時滿足建筑結構規(guī)范和機械設計制造方面的規(guī)范規(guī)定；然后采用節(jié)點足尺模型試驗進行驗證。通過節(jié)點試驗和工程實踐，證明該節(jié)點完全滿足設計要求。

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    圖11  外圈萬向支座節(jié)點詳圖

    5.2 內(nèi)圈銷軸節(jié)點
    內(nèi)圈V字型柱腳設計，本工程屋蓋結構比較規(guī)則，內(nèi)圈鋼柱支座力以軸力為主，剪力和彎矩均較小。節(jié)點設計中采用3夾2銷軸節(jié)點。徑向彎矩完全釋放，環(huán)向彎矩由節(jié)點板承擔；為防止銷軸的脆性破壞，控制銷軸處于低應力狀態(tài)下工作。
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    圖12  廣州市花都東風體育館內(nèi)圈銷軸節(jié)點詳圖

    5.3 預應力張拉節(jié)點
    張拉節(jié)點的設計關系到環(huán)向管內(nèi)預應力實施的成敗，是本工程的關鍵節(jié)點之一。本項目有效預應力值分別為：3350kn(下弦管內(nèi))和1565kn(上弦外側(cè)管內(nèi))。在鋼管張拉節(jié)點處的作用力較大且集中同時需在原鋼管上開孔以方便預應力的施加。因此合理的節(jié)點設計非常重要。該節(jié)點的設計中采用在弦桿外包鋼管的方式加強此節(jié)點并在張拉端用加勁板保證節(jié)點板整體穩(wěn)定。

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    圖13  預應力張拉節(jié)點詳圖

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     圖14 預應力張拉節(jié)點實體圖

    5.4 鑄鋼節(jié)點
    比賽館中多桿件相交、桿件相交夾角太小、正常加工困難的節(jié)點采用鑄鋼件，鑄件材料均采用《鑄鋼節(jié)點應有技術規(guī)程》CECS235:2008中可焊鑄材ZG275-485H，屈服強度為275MPA。采用美國通用有限元分析軟件ANSYS9.0作計算分析，采用solid92單元模擬桿件，一根桿件兩端固定，其余桿件加載。經(jīng)計算分析，安全儲備均在2倍以上。設計荷載作用下的有限元分析結果如圖15、圖16。
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    圖15  柱頂鑄鋼節(jié)點應力云圖
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    圖16 廣州市花都東風體育館中央壓力環(huán)鑄鋼節(jié)點應力云圖

    6、結語
    本文介紹了2010年廣州亞運的花都東風體育館這一工程實例，對于結構特點、體系分析、計算結果及構件連接處的節(jié)點有限元分析做了描述和總結：
    1、根據(jù)建筑外形特點，屋面鋼結構采用肋環(huán)型穹頂結構體系，同時在受拉圈梁弦桿管內(nèi)施加預應力。計算分析表明：結構受力簡單明確，內(nèi)圈屋蓋鋼結構基本處于結構自平衡狀態(tài)下，結構整體工作性能良好。
    2、環(huán)行管內(nèi)預應力大跨度鋼結構體系的采用不僅增加梁結構的整體剛度，提高了安全性能，而且減少了結構用鋼量，降低了工程造價，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。
    3、萬向銷軸鉸支座的運用，完全與計算假定一致。同時滿足建筑美觀要求。
    4、比賽館用鋼量87kg/㎡、訓練館用鋼量62kg/㎡，此用鋼量包含屋面用鋼量和鋼柱用鋼量，是同類鋼結構場館中用鋼量最低的項目。
    本工程的經(jīng)驗可為此類工程設計提供一些借鑒和參考。

     參考文獻
    [1]董石麟，羅堯治，趙陽.新型空間結構分析設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2006.
    [2]李星榮，魏才昂，丁峙崐.鋼結構連接節(jié)點設計手冊[M].
    第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.
    [3]黃明鑫等.大型張弦梁結構的設計與施工[M].濟南：山東科學技術出版社，2005.
    [4]葛家琪，張國軍，王樹等.2008奧運會羽毛球館弦支穹頂結構整體穩(wěn)定性能分析研究[J].北京：建筑結構學報，2007，28(6)。

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