谭宝峰
（中国建筑科学研究院，北京，100013）
【摘 要】某体育馆下部为钢筋混凝土结构，屋面采用平面桁架体系。采用屋盖模型及总装模型分别进行计算，整体模型采用两种有限元软件对比分析。工程立面造型复杂，通过风洞试验确定结构的风压分布和风振系数。通过结构模态分析、位移分析及整体稳定性分析等介绍体育馆结构设计中的几个关键环节，可供同类工程参考。
【关键词】平面桁架体系；风洞试验；模态分析；整体稳定性分析
1、引言
随着北京奥运会的成功举办，和2022年北京－张家口冬奥会的成功申办，我国体育事业迎来空前的快速发展时期，全国各地大力兴建各类体育场馆。体育馆建筑为实现特定的建筑功能，往往有其特殊的结构体系。本文以广东省某体育馆为工程背景，从结构体系、抗震分析、整体稳定等方面入手，介绍设计中的关键环节，并提出合理的设计建议。
2、工程概况
本工程位于广东省某市，是集比赛、休闲、健身于一体的市民体育中心，建成后既满足专业的体育比赛和训练，也能满足市民平时的运动健身，文化活动等需求。本项目包括一座4800座体育馆，一座游泳馆，一座训练馆。整个场馆区通过中央架空平台结合为一个完整的建筑群落；建筑坡屋面局部采用屋顶种植，形成自然山坡般的景观地形，打破传统建筑的生硬外观。本工程建筑效果图见图1。
图1 本工程建筑效果图
本文以训练馆为主要介绍对象，训练馆建筑面积6501m2，共2层。训练馆首层设摔跤，柔道，举重，乒乓球等专项场地，二层为大空间，提供12片羽毛球训练场地。场馆入口设于中央架空平台、首层及二层。屋面由四片高低错落的折面组成，屋面最高处19.5m，前方为斜屋面，部分斜面落在室外平台之上。屋面采用直立锁边铝镁锰屋面系统，侧立面结合部分玻璃幕墙，前方斜屋面与两侧悬挑屋面相互呼应，整体充满灵动、现代的效果。
3、结构体系
本工程设计使用年限为50年；抗震设防类别为丙类[1]，抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第一组[2]；本工程建筑场地类别为Ⅲ类；框架抗震等级为三级，基础设计等级为乙级。
本工程根据地勘报告进行基础设计，设计中充分考虑结构受力特点，并结合当地类似场地情况、施工经验，基础形式采用桩基础。基础采用PHC-500(125)AB－C80型先张预应力管桩，桩端以强风化粉砂岩层作为持力层，总桩长40m，单桩竖向承载力特征值为1700kN。本工程场地地表附近存在较厚的软弱土及严重液化的淤泥质粉土，为消除液化土层带来的高桩承台效应，室内桩承台底面至桩承台底面以下1.0m范围内用3:7灰土换填处理。
训练馆长64m，宽53m，主体结构高度18.5m。主体采用钢筋混凝土框架结构形式，框架柱截面主要规格为800mmx800mm、600mmx600mm及直径600mm的圆柱。一层顶板高度5m，采用主次梁体系，外侧结构为室外平台，局部为双向找坡的斜坡道，为简化结构计算，此部分通过结构缝与连接平台部分断开。二层为大开间训练场，为增强结构的整体刚度，减小框架柱计算长度，在支撑屋盖的框架柱顶及中间布置两道环梁。
训练馆屋面由四片高低错落的折面组成，且高低屋面之间相互重叠，每片屋面在室外均有较大的悬挑。结合建筑立面效果，主体平屋面部分采用主次平面桁架体系。主桁架跨度41.5m，柱外另有8.8m长悬挑，主桁架高度有4.5m和2.5m两种。次桁架在室外向两侧挑出，屋面最大挑出长度10m，最短挑出长度3m。挑出6m以上的屋面，悬挑部分由小桁架支撑；挑出6m以内的屋面由悬挑钢梁支撑。钢结构均采用Q345B级钢材，桁架弦杆采用方钢管200x200x10～230x230x14，腹杆采用方钢管150x150x10～200x200x10。为增加屋面整体性，沿屋面周边布置水平支撑，同时屋面边缘采用截面200x200x8的方钢管封边。
为实现轻盈的建筑效果，屋面在室外部分需形成向下倾斜40度的平板状，落于室外平台或地面上。部分斜屋面设计为局部种植屋面，形成渐变效果。由于受屋面厚度要求限制，斜屋面部分采用矩形钢管梁，下端与混凝土柱连接，上端与相应桁架连接。
4、荷载取值
（1）恒荷载：金属屋面及檩条0.7 kN/m2，下弦吊挂荷载0.1 kN/m2；
（2）活荷载：不上人屋面0.5 kN/m2；
（3）风荷载：基本风压0.6 kN/m2（重现期50年）[3]，地面粗糙度为B类，体形系数、风振系数以风洞试验为准（见下文）；
（4）温度荷载：根据当地年平均气温数据，考虑±25C°整体温度变化；
（5）地震作用：抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，地震作用分析采用振型分解反应谱法，计算前60阶振型，考虑双向水平地震作用下的扭转耦联效应。考虑竖向地震作用，竖向地震影响系数最大值取水平地震影响系数最大值的65％。
5、风洞试验
本工程为大跨空间结构，属风致敏感结构，且项目位于台风频发地区，建筑体型复杂，无法按规范确定其体型系数和风振系数。大跨度结构表面风荷载尤其是脉动风荷载特性异常复杂，表面迎风边缘的流场很不稳定，并间歇性地卷起分离涡，漩涡中心负压极高，对屋面边角区域有极强的破坏作用。在确定大跨度屋盖结构的脉动风特性时，很难建立一种普遍适用的阵风荷载模型。因此，有必要通过风洞试验，模拟其真实的风荷载动力响应。
为此，委托广东省建筑科学研究院对本工程进行了风洞试验，图为风洞试验照片。
图2 风洞试验照片
试验采用比例为1:150的刚性模型，根据B类场地的风速剖面及周边建筑群和地形环境进行测试风洞试验。试验以15°为间隔在湍流边界层来流条件中进行，通过同步测压试验与风振分析，得到24个风向角下建筑物的外表面345个监测点的风压分布和风振系数。综合风压最高正峰值和最低负峰值见图3、图4。
根据试验结果，屋面综合风压峰值在－3.33~1.29kN/m2范围。结构的风振系数依风向角不同在1.52～1.93之间变化，风振系数最大值出现在风向角为45°时的左侧较大的悬挑屋面处，与风压分析的结果基本一致。因此，对于同类工程，大悬挑屋面是结构风荷载计算的关键部位，应特别加强重视。选取几个代表性风向角进行结构计算，计算结果表明，负风压组合为控制组合。
6、结构计算与分析
6.1 结构计算模型
本工程设计中采用2种计算模型：（1）、屋盖模型：用于钢结构计算与杆件优化，桁架支座按理想铰支座处理，采用SAP2000软件计算，阻尼比取0.02；（2）、总装模型（图5、图6）：真实模拟两种结构的共同作用，用于上、下部分结构的设计及屋面的整体稳定性分析，采用SAP2000及PMSAP软件对比分析，阻尼比取0.035。
6.2 结构控制标准
混凝土部分：位移，扭转，轴压比，配筋等按现行规范要求控制。钢结构部分：桁架挠度不大于L/400(L为桁架跨度)，悬挑部分挠度不大于L/125。桁架上下弦杆应力比不大于0.85，桁架腹杆不大于0.9。受拉弦杆长细比不大于200，受压弦杆不大于150，支座处杆件不大于120。
6.3 抗震性能化指标
考虑结构的安全性及经济性，确定如下结构抗震性能化目标：（1）、结构整体变形，承载力等满足小震弹性要求；（2）、关键部位和节点满足中震弹性要求。
6.4 模态分析
模态分析揭示了整个结构体系的固有振动特性，是结构静、动力分析的基础。为保证振型参与质量系数大于90％，计算结构前60阶振型。采用SAP2000和PMSAP两种软件计算的总装模型前10阶自振周期结果见表1。
通过对比可见，两种软件模态分析结果基本一致，SAP2000自振周期整体略小于PMSAP，这主要是由于两者单元属性的差异，造成SAP2000整体模型刚度略大于PMSAP。同时，通过两种模型结果的对比，交互验证了计算结果的准确性。
结构前三阶振型模态见图7，第1阶振型为x向水平振动、第2阶振型为y向水平振动、第3阶振型扭转振型、第4～第10振型主要为屋盖局部振动夹杂水平振动。前三阶振型均为结构整体振动，说明上部钢结构对下部大空间部分有较好的约束作用，上下结构刚度协调情况较好。
6.5 位移及变形
根据计算结果，x向地震作用下，结构最大层间位移角1/1184；y向地震作用下，结构最大层间位移角1/638，小于1/550，满足规范要求。恒载＋活载、恒载＋风荷载、恒载＋温度荷载作用下，屋盖最大挠度为55mm，与桁架跨度之比为1/750，小于1/400，满足规范要求；悬挑部分最大挠度30mm，挠度跨度之比为1/342, 满足规范要求。
6.6 构件应力
计算结果表明，钢结构构件在控制荷载组合下的应力弦杆均小于0.8，腹杆小于0.85，满足设计要求。
6.7 稳定性分析
整体结构模型按一阶弹性屈曲模态分布并考虑跨度的1/300的初始缺陷的情况下，采用理想弹塑性模型进行线性屈曲分析。结构第一阶屈曲为主桁架上弦平面外屈曲，计算所得结构安全系数K为14，满足规范规定的最小稳定安全系数的要求。
7、结语
（1）本工程为大跨空间结构，应采用两种不同有限元软件进行整体计算，交互验证计算结果。
（2）本工程立面造型复杂，属风致敏感结构，对于此类工程应采用风洞试验获得准确的风压分布和风振系数，应特别重视端部悬挑部位的风荷载响应。
（3）复杂工程应根据结构或构件的不同位置、不同功能采取不同的抗震性能化目标。
参考文献：
[1]GB50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S].
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].
[3]GB50011-2012 建筑结构荷载规范[S].
论文作者:谭宝峰
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年3月总第208期
论文发表时间:2016/6/12
标签：屋面论文; 结构论文; 桁架论文; 荷载论文; 风洞论文; 系数论文; 工程论文; 《工程建设标准化》2016年3月总第208期论文;