揚中市文體中心體育場結構設計

1、揚中市文體中心體育場結構設計摘要：揚中市文體中心的體育場是圍繞比賽場地的一個環(huán)形建筑物，南北向布置，南北長197m，東西寬112.8m。因結構超長，將體育場的地面以上結構合理地分為若干個獨立結構單元，屋頂雨棚為鋼桁架屋蓋，二者為混凝土結構和鋼結構屋蓋形成一個結構體系，采用多種計算模型和計算軟件進行分析計算，可做類似工程參考。關鍵詞：結構設計；超長結構；鋼桁架屋蓋；斜框架；圓管相貫節(jié)點；鉸接節(jié)點1.工程概況 揚中市文體中心位于江蘇省揚中市，整個用地東西長約500米，南北長約320米，呈L形，場地內地勢平坦。揚中市文體中心由五部分組成，分為體育場、體育館、游泳館、綜合健身館和觀光塔。其中體育場面積

2、為30457.5平方米該體育場南北向布置，南北長197m，東西寬112.8m?？偨ㄖ娣e30457.5m2，屋面最高處33m，其中混凝土樓蓋最高處四層共計22.5m，鋼桁架屋蓋最高點33m，為多層公共建。 2.結構設計 2.1 自然條件 本工程的抗震設防烈度：7度；設計地震分組為第一組，特征周期值0.45s，設計基本地震加速度0.10g，建筑場地類別：III類。基本風壓：W0=0.45KN/m2(重現期100年)，地面粗糙類別：B類，風荷載的分項系數為1.3?；狙海?.40 kN/m2。根據當地氣象資料，江蘇揚中年平均氣溫15.1， 最高年達16，最低年14.3?？拐鹪O防類別屬于重點設防類

3、，設計使用年限為50年。 2.2 結構選型 本工程根據使用功能、結構設計、施工方便等因素綜合考慮，體育場柱網大部分為7.599m，局部為918m，為便于設備管線的穿行，為建筑提供更大的有效空間，采用鋼筋混凝土單向梁、板結構。建筑整體是回形建筑，結構上屬于超長結構。本體育場南北長就達到197m，已超出規(guī)范要求。通過設置合理的結構縫，并考慮建筑功能及使用上的要求，本工程在0.000以上設伸縮縫脫開，將體育場分成AH個結構單元（圖1），分別對各個結構進行計算分析。 圖1.分區(qū)示意圖 體育場屋面最高處33m（混凝土樓蓋最高處四層共計22.5m，鋼桁架屋蓋最高點33m），看臺采用鋼筋混凝土斜框架結構，以

4、滿足看臺座位的設置要求。部分鋼筋混凝土柱伸至鋼屋面下，看臺處柱間距為18m，作為上部弧形懸挑屋蓋的抗側力體系，承受地震、風荷載產生的水平力以及風荷載下桁架傳來的上拔力?；⌒螒姨粑萆w采用管桁架鋼結構。結構整體計算時的模型如圖2。 支撐體育場屋蓋的框架柱受力較為復雜，對強度及抗震延性要求較高，考慮本工程的重要性，支撐柱采用型鋼混凝土柱并按中震彈性進行抗震設計。 體育場屋面采用鋼桁架懸挑屋蓋，最大懸挑長度約25m，為空間大跨度倒三角形和平面管桁架懸挑結構，和下部混凝土結構對應，分AH共8個溫度區(qū)（圖1），懸挑屋蓋部分共有21榀空間桁架及之間次桁架構成, 其余位置采用平面桁架。 圖2.F區(qū)結構模型 2

5、.3 結構抗風抗震設計與計算 本工程中，體育場屬重點設防類（乙類）建筑。體育場抗震措施均按高于本地區(qū)抗震設防烈度1度的要求。即按7度計算地震作用，8度確定抗震等級。 為反應下部結構、連接支座對懸挑鋼桁架的受力影響和鋼桁架屋面自身剛度對下部結構的受力影響。本工程除采用分離模型進行計算分析外，還對體育場懸挑長度大，對下部結構影響大的主看臺整體模型進行了計算分析，屋架鋼桁架結構和下部混凝土結構進行了整體計算復核分析，考慮了兩者在各種荷載作用下的共同工作。 經過計算分析、對比，根據各種軟件的功能特點，本工程采用中國建筑科學研究院的PKPM系列軟件SATWE進行鋼筋混凝土結構的計算分析，對部分代表性的結

6、構單元如體育場F區(qū)、同時采用通用有限元結構分析軟件MIDAS進行整體分析及屋面桁架、網架的設計。 SATWE軟件是國內常用空間結構有限元分析軟件，但受目前版本功能的限制，暫不能準確模擬如拉壓桿等的受力狀態(tài)等。所以我們僅采用SATWE進行本工程鋼筋混凝土部分的設計計算，并考慮上部鋼結構體系轉來的荷載。體育場F區(qū)結構單元鋼筋混凝土主體的計算結果見表一。 MIDAS軟件是通用有限元結構分析軟件，并已嵌入中國規(guī)范，適用于建筑結構、體育場館及組合結構等的分析與設計，可以較真實地反映本工程的實際受力狀態(tài)。F區(qū)結構單元整體組合結構的計算結果見表二。 表一 SATWE電算結果：F區(qū) 周期 周期比Tt/T1 扭

7、轉系數 T1 0.7837 0.544 0.1 Tt 0.4264 0.9 T3 0.4167 0.2 作用方向 X向地震 Y向地震 最大層間位移角 1/764 1/633 最大層間位移與平均層間位移的比值 1.19 1.36 有效質量系數 90.11% 92.96% 表二 MIDAS電算結果：(F區(qū)) 周期 周期比Tt/T1 扭轉系數 T1 0.9517 0.5284 0.00 T2 0.5207 0.00 Tt 0.5029 0.72 作用方向 X向地震 Y向地震 最大層間位移角 1/1275 1/747 最大層間位移與平均層間位移的比值 1.09 1.13 有效質量系數 99.28% 9

8、9.93% 經過兩種軟件對比分析知，各軟件結果均符合規(guī)范要求。 2.4 屋蓋鋼結構設計 屋蓋平面如下圖3所示，縱向全長約288m，橫向寬度約114m，屋面最低點自地面起，最高點結構標高約33m。 屋蓋荷載計算：活荷載取0.50kN/m2。屋蓋自重由程序計算，屋面板及檁條自重取0.40kN/m2，下弦吊掛荷載根據建筑做法及設備實際自重取值0.30kN/m2。 溫度作用計算時，考慮正負25溫差。合攏溫度153。 圖3.F區(qū)屋面模型 體育場屋面采用鋼桁架懸挑屋蓋，為空間大跨度管桁架懸挑結構，和下部混凝土結構對應，分8個溫度區(qū)，共有21榀主桁架及之間次桁架構成。主桁架為倒三角形，最大懸挑跨度為25m，

9、最小懸挑跨度為9m，桁架間距約為18m。防震縫處利用次桁架懸挑9m設縫，以確保相互之間的自由伸縮。主次桁架采用圓鋼管，節(jié)點類型為圓管相貫節(jié)點和焊接球節(jié)點。 桁架結構的外荷載按靜力等效的原則，將節(jié)點所轄區(qū)域內的荷載集中作用在節(jié)點上。結構分析時忽略腹桿節(jié)點剛度的影響，假定節(jié)點為鉸接，腹桿桿件只承受軸向力。具體設計結構時腹桿采用桁架單元，即腹桿只承受軸力。上下弦為一般梁單元，承受彎、剪、扭及軸向力。所有桿件采用空間模型進行有限元分析，各桿件內力和位移均按規(guī)范要求進行控制。下弦采用變截面圓管，最大直徑處500x25,上弦最大直徑處300x25，腹桿根據應力大小采用不同管徑的圓管，主桁架軸側圖如下圖4：

10、 圖4.屋面三維模型 2.5 與鋼筋混凝土結構的連接方式 體育場懸挑屋蓋鋼桁架結構與混凝土結構的連接設計為鉸支座，主要承受水平力及風荷載下產生的上拔力，支座示意圖如下： 圖5.鉸接節(jié)點圖6.鉸接節(jié)點 2.6 計算結果 體育場懸挑屋蓋鋼桁架結構采用MIDAS進行有限元分析及設計。主要計算結果如下： 圖7.撓度圖 圖8.彎矩圖 體育場屋面桁架最大彎矩約414KNm(桁架下弦桿)，桿件最大應力比0.95。滿足規(guī)范要求，屋面網架桿件最大軸力約1121KN(中部上弦桿，壓力)，絕大部分桿件最大應力比均小于0.90，滿足規(guī)范要求。個別桿件應力比0.95。標準組合下最大撓度136mm,滿足規(guī)范要求。 3.結論 主體結構采用合適結構縫使結構分成若干個獨立的結構單元，使其受力合理。運用有限元程序Midas對鋼結構進行了靜力線性分析、反應譜分析，得出了在各種荷載組合情況下的變形、桿件內力、應力比，并對相應的計算結果進行了分析以及與相關規(guī)范要求的對比，表明鋼結構所采用的結構形式以及相關構件規(guī)格滿足規(guī)范要求的結構強度、剛度和穩(wěn)定性。結構受力性能良好，很好地解決了結構