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摘要：随着国民经济的不断发展和人民对健身运动的重视，越来越多的体育场馆如雨后春笋拔地而起。体育场馆单体建筑规模大，造型也越来越复杂，由此对结构设计产生了很多挑战，譬如结构超长、大跨度、大悬挑、屋盖钢结构形态复杂等等。本文结合某体育馆的结构设计，分析了体育场馆混凝土和钢结构设计的几个关键点，并提出了解决办法。
关键词：体育馆；大跨度网架；自由曲面
一、本工程的概况
项目位于贵州省湄潭县，总建筑面积约48632㎡，主要建筑功能含两万座体育场[1]一个，置于基地南侧，一个3000座体育馆和一个1500座游泳馆，体育馆和游泳馆合为一座建筑，置于基地北侧。本文重点针对体育馆和游泳馆进行阐述，由于体育馆和游泳馆合为一栋建筑，以下简称体育馆，项目效果图如图1所示。
结构按照50年设计使用年限设计，建筑安全等级为二级，抗震设防类别为乙类；根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001，遵义市湄潭县设计基本地震加速度值<0.05g，本工程不考虑抗震设防。但按照当地建委文件要求，本工程基本抗震构造措施按6度设计要求采取；本工程基本风压值取0.35kN/m2（体育馆屋盖均为大跨度钢结构，对风荷载较为敏感，风荷载按100年重现期的风荷载考虑），地面粗糙度取为B类；根据荷载规范，本工程基本雪压值为0.25kN/m2（本工程屋面均为大跨度钢结构，雪荷载按100年重现期考虑）。雪荷载与屋面使用活荷载不同时考虑。
体育馆平面边缘线为弧形，平面尺寸约132米x73米（见图2）, 下部主体结构采用全现浇钢筋混凝土框架结构，楼面采用梁板体系。体育馆和游泳馆屋顶为同一个完整的网架，采用正方四角锥钢网架结构体系，东西长度为141米，南北方向长度最大为72米，投影面积约8300平方米。
图1 项目效果图
二、结构设计的几个关键点
混凝土结构典型平面如图2所示，本项目结构设计有以下关键点：
2.1 主体混凝土结构超长裂缝控制
体育馆和游泳馆在同一个单体中，采用钢筋混凝土框架结构，东西方向长度为160米，南北方向长度为97米，单体平面尺寸超过规范规定的最大伸缩缝间距要求，因建筑功能布置不宜设置结构缝，设计主要采取以下措施减少因混凝土收缩及温度应力引起的结构变形及控制裂缝：
1)设置伸缩后浇带，减少混凝土收缩应力对结构带来的影响；同时合理安排后浇带封闭时间。封闭后浇带后及时完成外墙施工。共6道后浇带，宽度为0.8m。
2)采用补偿收缩混凝土，在施工中合理安排施工工序，提高混凝土养护质量。
3)加强受温度应力较大区域的楼板配筋。
2.2混凝土结构模型假定以及总装分析
通常结构工程师在计算下部混凝土结构时，将下部混凝土结构单独计算，上部网架用刚性杆模拟[2]，钢结构的支座反力作为荷载输入到混凝土模型中。但对于实际工程而言，上下部结构是一个密不可分的整体，上部钢结构对下部混凝土结构既有作用又有刚度约束, 下部结构对上部钢结构既有支承又有效应放大。对于大跨度体育馆工程，尤其在地震区的项目，应该补充上下钢混整体结构的总装分析，对上下结构构件进行复核包络，确保结构安全[3]。
图2 典型平面图
2.3屋盖自由曲面网架建模和起坡
注意项目屋面边缘线为不规则曲线，同时屋盖采用等高线找坡方式，决定了屋盖为自由曲面结构，网架的建模成为难点和重点。本工程在网架建模时，先根据曲面边缘线以及建筑专业提供的等高线建立网架上弦自由曲面，通过投影法划分上弦网格，然后再用浙江大学MSTCAD2016版本软件生成网架下弦和腹杆，适当调整后即可得到网架模型，建模过程见图3。
图3 自由曲面网架建模过程图
金属屋面找坡坡度为5%，对于小跨度网架结构，可以上弦做平，采用小立柱找坡，但是对于大跨度结构小立柱找坡，会导致小立柱高度很高，截面较小时存在失稳问题，截面太大影响经济性。如本工程网架跨度72米，则小立柱最大高度为150mm+72*0.5*0.05mm=1950mm，严重不合理。本工程采用结构找坡，即建模的时候上弦节点已经包含找坡坡度，这样网架小立柱高度可统一。
2.4 长宽比对网架结构受力性能的影响
网架平面尺寸为141米X72米，长宽比为2，当仅采用一圈周边支承时，发现网架内力仅由短跨度方向杆件承担，表现出强烈的单向板受力性能。长向下弦杆件大部分截面仅为75.5X3.75，而短向下弦最大杆件截面达245x20，由于单向杆件较大，网架节点出现大量焊接球节点。为改善结构受力性能，在体育馆、训练馆和游泳馆分界处混凝土柱顶，增置了2排中间支座（见图4，□符号示意支座位置），增加支座后的方案，下弦最大截面仅为180X12，且两个方向截面基本接近，表现出双向板受力特性，更加经济和合理。
图4 网架支座布置图
2.5 网架与混凝土结构的碰撞检测
当网架结构采用上弦支撑时，通常网架斜腹杆容易与混凝土梁柱发生碰撞问题，如不能在设计阶段提前发现，在网架现场安装的问题发生时，临时调整替换部分杆件，甚至是采用敲掉部分混凝土梁柱的方法十分不妥。因此在网架设计阶段，需要对网架与混凝土结构做碰撞检测，尤其是复杂曲面网架。
对于规则形态如矩形网架，可以取典型剖面在CAD二维平面放样复核，主要调整斜腹杆角度以及支座高度来避免发生网架与混凝土结构碰撞问题。
对于复杂形态网架，尤其类似本工程的自由曲面的网架结构。在本工程碰撞检测中，建立了全实体精确截面的网架和下部混凝土梁柱CAD三维模型，检测并消除了存在的碰撞问题。
三、结束语
作者根据实际项目的设计，分析了体育馆结构中的几个关键技术问题，通过对关键技术的重点分析，结合分析结果，提出了对应的解决办法，有效的解决了该工程设计的难点，为以后的类似项目提供了参考和建议。
参考文献
[1]尹雄，俞锋.贵州湄潭体育场罩棚结构设计与分析[J].建筑结构，2017，47(11) : 91-95．
[2]赵帅，唐顺勇.钢网架与钢筋混凝土混合结构设计分析[J].山西建筑，2016，42(22) : 44-46．
[3]傅学怡，高颖，杨想兵.总装分析对大跨空间结构设计的重要性[J].空间结构，2009，15( 1) : 3-10
论文作者:蔡朋程1,陈伟2,金霄龙2
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/23
标签：网架论文; 结构论文; 体育馆论文; 荷载论文; 曲面论文; 混凝土论文; 支座论文; 《防护工程》2019年第1期论文;