深圳寶安區(qū)體育場方案設(shè)計(jì)

深圳寶安區(qū)體育場方案設(shè)計(jì)

0結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)深圳寶安體育是典型的車輛輻射結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)定義，它可以被歸類為st（st表示單層環(huán)和雙重環(huán)的環(huán)狀）結(jié)構(gòu)。體育場屋面呈馬鞍形,外環(huán)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高差為9.65m,內(nèi)環(huán)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高差為2.16m(圖2)。結(jié)構(gòu)平面投影近似成圓形,外環(huán)水平投影尺寸為237m×230m,內(nèi)環(huán)水平投影尺寸為129m×122m,索桁架連接內(nèi)拉環(huán)與外壓環(huán),跨度54m,內(nèi)環(huán)撐桿連接上下內(nèi)環(huán),高18m,構(gòu)件截面尺寸詳見表1。目前國內(nèi)在索桿張拉結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究多針對索穹頂結(jié)構(gòu),包括初始預(yù)應(yīng)力分布、靜動(dòng)力性能和新體型可行性等方面,對車輻式張拉結(jié)構(gòu)這種易于施工、造價(jià)更為經(jīng)濟(jì)的輕型大跨結(jié)構(gòu)體系研究較少。文獻(xiàn)對車輻式張拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為細(xì)致全面的研究,但其缺陷是未充分考慮索系邊界的影響,且當(dāng)時(shí)國內(nèi)尚缺乏相應(yīng)的實(shí)際工程。本文結(jié)合寶安體育場實(shí)際工程對車輻式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究,主要包括初步設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)體型選擇、方案驗(yàn)證階段的靜、動(dòng)力理論分析和模型試驗(yàn)(含整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、外環(huán)穩(wěn)定性等內(nèi)容)以及深化設(shè)計(jì)階段的節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造。本文工作對文獻(xiàn)介紹的找形分析和體型研究等內(nèi)容既是具體的應(yīng)用,也是有益的補(bǔ)充。1圓形中央開孔及馬道設(shè)置由于建設(shè)場地所限(場地近乎為正方形),寶安體育場外輪廓平面投影呈圓形。在外環(huán)形狀確定的基礎(chǔ)上,對以下3種屋蓋結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選。方案①:內(nèi)外環(huán)平面投影形狀相似的結(jié)構(gòu)體系(包含圓形的中央開孔及橢圓形的馬道設(shè)置,見圖3a)。該結(jié)構(gòu)方案包括一個(gè)圓形的外環(huán)和兩個(gè)圓形的內(nèi)環(huán),膜結(jié)構(gòu)和索系均勻布置。由于體育場中場地照明燈能源消耗最大,所以應(yīng)對場地照明燈的有效性進(jìn)行設(shè)計(jì),對燈光系統(tǒng)的高度、分布等都應(yīng)詳細(xì)分析研究。燈光馬道根據(jù)燈光需求設(shè)置,可以不與屋蓋開口重合。方案②:內(nèi)外環(huán)平面投影形狀相似的結(jié)構(gòu)體系(包含橢圓形的中央開孔及橢圓形的馬道設(shè)置,見圖3b)。方案②和方案①相似,主體索系完全一致,都是外圓內(nèi)圓,但張拉膜結(jié)構(gòu)的中央開孔根據(jù)使用功能布置為橢圓形,此時(shí)燈光和設(shè)備馬道可以隨著橢圓形的開口布置。方案③:內(nèi)外環(huán)平面投影形狀不相似的結(jié)構(gòu)體系(包含橢圓形的中央開孔及馬道設(shè)置,見圖3c)。內(nèi)環(huán)采用橢圓形,外環(huán)采用圓形,內(nèi)外環(huán)不相似。文獻(xiàn)研究表明:內(nèi)外環(huán)平面投影形狀不相似會造成外環(huán)截面彎矩過大,且不相似程度越大,外環(huán)受力就越為不利,因此從結(jié)構(gòu)受力角度來說,方案③是非常不合理的。但內(nèi)環(huán)開口呈橢圓形時(shí),馬道與燈光的布置可以和地面跑道獲得很好的協(xié)調(diào)。鑒于此,設(shè)計(jì)人員提出了設(shè)置平衡環(huán)的方法以改善外圓內(nèi)橢型車輻式結(jié)構(gòu)的外環(huán)受力狀況,用于方案③。如圖4所示,平衡環(huán)是一道同樣呈橢圓形的環(huán)索,但與橢圓內(nèi)環(huán)正交布置,并將徑向索截為兩段,介于平衡環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的為內(nèi)徑向索,介于平衡環(huán)和外環(huán)之間的為外徑向索。平衡環(huán)的設(shè)計(jì)思路是:由于索系內(nèi)力分布僅由其自身布置形式?jīng)Q定,與外邊界無關(guān),因此橢圓內(nèi)環(huán)對應(yīng)的內(nèi)徑向索力必然不均勻,內(nèi)環(huán)長軸處徑向索力大,短軸處索力小。而平衡環(huán)的作用就在于對上述不均勻內(nèi)徑向索力進(jìn)行補(bǔ)償,使得外徑向索力趨于均勻,進(jìn)而改善外環(huán)截面彎矩過大的情況。值得注意的是,平衡環(huán)在改善外環(huán)受力的同時(shí),還將徑向索隔成了內(nèi)外兩段,這兩段索力差別非常大,經(jīng)分析會達(dá)到原徑向索力的一半,這對平衡環(huán)和徑向索的連接節(jié)點(diǎn)提出了很高要求。尤其在徑向索數(shù)目較少的情況下,該問題更為突出,普通索夾并不能提供足夠的抗滑移能力。比較合理的方案是直接在內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,整體采用鑄鋼節(jié)點(diǎn),兩端分別連接內(nèi)外徑向索,如圖5所示,但造價(jià)會有所提高。綜合考慮建筑造價(jià)和施工難度(表2),實(shí)際工程最終選用方案①。2構(gòu)件上風(fēng)荷載寶安體育場的索系屋蓋及其支承(外環(huán))在水平面內(nèi)形成了一個(gè)自平衡體系。這種情況下,倘若對外環(huán)施加徑向約束,會產(chǎn)生過大的支座反力,從而加大結(jié)構(gòu)成本。因此,車輻式張拉結(jié)構(gòu)不宜采用過于剛性的“外環(huán)-支承柱框架體系”。寶安體育場的支承柱大量采用了搖擺柱的形式,從而使外環(huán)沿徑向可以自由變形,支承柱和外環(huán)的連接方式及柱腳約束如圖6所示:位于低點(diǎn)的6根普通柱(截面尺寸見表1)柱腳剛接,其余所有柱腳鉸接;A形柱共計(jì)8根,分別位于④、⑧、(12)、(16)、(22)、(26)、(30)、(34)軸上(軸線位置見圖2),A形柱與外環(huán)剛接,其余所有柱與外環(huán)均鉸接。外環(huán)正常使用階段,側(cè)向荷載主要來源于作用在構(gòu)件上的風(fēng)荷載,按GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算,外環(huán)上的風(fēng)荷載約為4.0kN/m,支承柱上為1.76kN/m。偏安全地估計(jì),平均分配到每個(gè)外環(huán)節(jié)點(diǎn)上(共36個(gè)節(jié)點(diǎn))的集中風(fēng)荷載約100kN,其影響不容忽略。分批從4個(gè)角度對每個(gè)外環(huán)節(jié)點(diǎn)施加500kN的水平側(cè)向荷載(圖7中0°、30°、60°、90°),觀察結(jié)構(gòu)側(cè)移和柱腳反力分布。在這4種荷載工況作用下,外環(huán)與支承柱始終處于彈性狀態(tài),外環(huán)最大側(cè)移分別為267mm、269mm、204mm和115mm,均小于結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)高度(37.515m)的1/100,定性說明結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較好。水平荷載作用下,柱腳反力的分布如圖7所示,主要由A形柱承受側(cè)向荷載,其余柱分擔(dān)的水平荷載可以忽略不計(jì)(圖中為簡潔不作表示)。仔細(xì)觀察圖7還可以發(fā)現(xiàn):若A形柱所在平面與側(cè)向荷載作用方向一致,其將承擔(dān)大部分荷載;若與側(cè)向荷載近乎垂直,分擔(dān)荷載則小很多。這并不難理解,因?yàn)楸M管A形柱在兩根分叉柱組成的平面內(nèi)剛度很大,平面外剛度卻微乎其微。圖8列出了結(jié)構(gòu)中幾種可能的主要抗側(cè)力支承柱,并對其剛度進(jìn)行分析,用k1、k2、k3分別表示低點(diǎn)A形柱、高點(diǎn)A形柱(平面內(nèi))以及低點(diǎn)普通柱的側(cè)向剛度,計(jì)算結(jié)果如下:k1=2EA1sin2(α/2)/L1=8.32×104kN/mk2=2EA2sin2(β/2)/L2=3.01×104kN/mk3=3EI/L3333=0.01×104kN/m可以看到,A形柱在平面內(nèi)的側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于普通柱,這也解釋了為何側(cè)向荷載主要由前者承擔(dān)(圖7)。A形柱用于車輻式張拉結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特優(yōu)勢:對外環(huán)不產(chǎn)生徑向約束,由于其沿外環(huán)切線布置,又能幫助結(jié)構(gòu)抵抗任何方向的水平側(cè)向荷載,同時(shí)還確保了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。與寶安體育場類似,馬來西亞吉隆坡室外體育場也采用了A形柱支承環(huán)梁的結(jié)構(gòu)形式。A形柱與外環(huán)采用剛接主要是為了確保節(jié)點(diǎn)傳力的安全,而支承柱略微向里傾斜以及采用馬鞍形外環(huán)等措施,都是為了營造良好的建筑效果,和看臺相適應(yīng)。這些措施均與整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度無關(guān)。3麻黃外環(huán)斷裂模型對寶安體育場這類車輻式張拉結(jié)構(gòu),外環(huán)作為其唯一的索系支承,穩(wěn)定計(jì)算須引起充分注意。施工階段,下徑向索張拉到位后索力最大,外環(huán)受力也最為不利。使用階段,相當(dāng)于在索系張拉到位的基礎(chǔ)上繼續(xù)施加荷載,會造成索力進(jìn)一步增加。本節(jié)以結(jié)構(gòu)初始態(tài)為基準(zhǔn)開展對外環(huán)穩(wěn)定性的研究,即取初始態(tài)位形、按初始態(tài)預(yù)應(yīng)力分布同比例改變索力大小,進(jìn)而求得外環(huán)屈曲對應(yīng)的索力特征值。寶安體育場主體結(jié)構(gòu)的初始態(tài)內(nèi)力及位形如表3所示。由于外環(huán)呈馬鞍形,且受徑向集中荷載作用,因此其截面存在彎矩。但相比于軸力,彎矩對外環(huán)影響很小:前者產(chǎn)生應(yīng)力約148MPa,而后者產(chǎn)生應(yīng)力僅10MPa,所以外環(huán)穩(wěn)定性主要由軸力控制。采用兩種模型研究寶安體育場外環(huán)穩(wěn)定性,如圖9所示。模型①僅包括外環(huán)和支承柱,根據(jù)初始態(tài)索力和拉索與水平面夾角的余弦值(表3),計(jì)算徑向索力的水平分量,并作為集中荷載施加到外環(huán)對應(yīng)節(jié)點(diǎn),由于集中荷載最大值僅為最小值的1.1倍,因此求解屈曲荷載時(shí)取統(tǒng)一大小。模型②為包含索系的真實(shí)結(jié)構(gòu),通過對拉索賦初應(yīng)變以模擬初始態(tài)預(yù)應(yīng)力,進(jìn)而求解外環(huán)屈曲模態(tài)和屈曲荷載。模型①的一階屈曲模態(tài)如圖9a所示,為平面內(nèi)失穩(wěn)。整個(gè)外環(huán)共出現(xiàn)8個(gè)半波,交替凹凸,波峰位于A形柱位置,每兩個(gè)A形柱之間的中點(diǎn)為相鄰半波的分界。模型①對應(yīng)的一階屈曲荷載為:徑向集中荷載5130kN,外環(huán)軸力27500～31500kN。模型②的一階屈曲模態(tài)與模型①完全不同,如圖9b所示,外環(huán)在豎向平面內(nèi)整體失穩(wěn)。此時(shí),徑向索系的預(yù)應(yīng)力對外環(huán)施加荷載,但又同時(shí)對其提供了水平面內(nèi)的彈性約束:假設(shè)外環(huán)失穩(wěn)也是在面內(nèi)發(fā)生凹凸變形,那必然會導(dǎo)致凹進(jìn)的拉索松弛、凸出的拉索張緊,這就相當(dāng)于在模型①的基礎(chǔ)上沿外環(huán)徑向布設(shè)了彈簧。因此,索系的存在大大提高了外環(huán)面內(nèi)屈曲荷載值,使結(jié)構(gòu)一階模態(tài)呈現(xiàn)為外環(huán)繞弱軸在豎向平面內(nèi)發(fā)生屈曲。模型②一階模態(tài)對應(yīng)的外環(huán)軸力為2.04×105kN,是模型①的7倍之多,這也說明了模型②的合理性,因?yàn)槌跏紤B(tài)下外環(huán)軸力就已經(jīng)達(dá)到了33900kN。上述研究表明,徑向索系和支承柱分別在水平面、豎直面內(nèi)對外環(huán)提供了側(cè)向約束,結(jié)構(gòu)整體的一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為各個(gè)側(cè)向支承點(diǎn)之間的外環(huán)發(fā)生屈曲,這意味著外環(huán)穩(wěn)定性可以通過單獨(dú)取出側(cè)向支承點(diǎn)之間的一段進(jìn)行計(jì)算校核。外環(huán)共36段,各段長度約為20.35～20.41m,已知外環(huán)屈曲時(shí)軸力Fcr=2.04×105kN,按歐拉公式Fcr=π2EI/(μL)2,可計(jì)算得每段外環(huán)的計(jì)算長度系數(shù)μ約為0.975～0.978,接近于1,這說明每段外環(huán)的兩端可近似認(rèn)為是鉸接。出現(xiàn)該現(xiàn)象,一是由于外環(huán)發(fā)生的是如圖9b所示的整體屈曲,相鄰鋼箱梁變形協(xié)調(diào),相互之間約束較小;二是由于支承柱與外環(huán)相比剛度很小(慣性矩之比約為1∶30),因此無法為后者提供有效轉(zhuǎn)動(dòng)約束。以上結(jié)論簡化了設(shè)計(jì)階段外環(huán)的穩(wěn)定性驗(yàn)算:分析各種荷載工況,對每段鋼箱梁選取最不利內(nèi)力,然后結(jié)合規(guī)范壓彎公式并按兩端鉸接即可進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明,外環(huán)穩(wěn)定性滿足使用要求,確保了寶安體育場模型張拉試驗(yàn)和實(shí)際工程現(xiàn)場張拉的安全。4定尺定長張拉誤差控制文獻(xiàn)通過寶安體育場1∶10模型施工張拉試驗(yàn)和誤差敏感性試驗(yàn),確立了張拉徑向索的施工方案,并為定尺定長張拉技術(shù)(索系一次張拉到位,無須調(diào)節(jié)索頭)建立了誤差控制標(biāo)準(zhǔn),對實(shí)際施工有重要指導(dǎo)作用。本文進(jìn)一步對同樣的模型進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)(圖10,模型參數(shù)詳文獻(xiàn)),在索系張拉到位的基礎(chǔ)上,測試了模型靜力性能和動(dòng)力特性,以檢驗(yàn)屋蓋張拉結(jié)構(gòu)的工作性能和設(shè)計(jì)流程、計(jì)算軟件的可靠度。4.1拉索有限元分析由于寶安體育場屋面通過徑向索系承受面荷載,而徑向索又由內(nèi)外環(huán)支承,因此對內(nèi)環(huán)靜力加載能夠有效反映索系的整體剛度和靜力性能,且易于實(shí)施。根據(jù)原型和模型的相似比關(guān)系,對模型內(nèi)環(huán)節(jié)點(diǎn)施加集中荷載1kN,相當(dāng)于原型100kN,折算為屋面均布荷載,約為0.12kN/m2,和正常使用荷載為同一個(gè)量級。向下荷載的模擬結(jié)合模型所在工廠條件,選用鋼砂、成桶油漆等重物進(jìn)行加載,每袋鋼砂和每桶油漆均重25kg(圖11);向上的荷載則通過腳手架、定滑輪以及重物組合實(shí)現(xiàn)(圖12)。使用全站儀記錄內(nèi)環(huán)撐桿端點(diǎn)坐標(biāo)的變化,拉壓傳感器記錄索力的變化。靜力試驗(yàn)荷載工況如圖13所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)張拉成形后的實(shí)際位形和預(yù)應(yīng)力,建立ANSYS有限元分析模型(BEAM188單元模擬外環(huán)梁、LINK8單元模擬內(nèi)環(huán)撐桿、LINK10單元模擬拉索,材料本構(gòu)關(guān)系理想彈塑性),計(jì)算各種荷載工況下結(jié)構(gòu)的反應(yīng),并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比,如圖14和表4所示。由圖14可以看到,位移實(shí)測值與有限元分析結(jié)果基本吻合。不對稱荷載作用下結(jié)構(gòu)撓度最大,加載點(diǎn)位移與荷載方向一致,非加載點(diǎn)的位形變化與之相反,且后者位移幅值小于前者。各荷載工況下的索力變化如表4所示,有限元分析結(jié)果與實(shí)測值也較為吻合,其中工況LC3對索力最為不利(荷載大小只有工況LC1和LC2的一半)?？偟膩碚f,對于雙層車輻式張拉結(jié)構(gòu),對稱荷載作用下索力最為不利,但由于其變形模式最大程度地利用了拉索彈性剛度,因此索系變形很小;而不對稱荷載作用下索系結(jié)構(gòu)需要通過變化自身的形狀才能抵御外荷載,因此變形較大,但索力變化相對較小。靜力試驗(yàn)證明了寶安體育場結(jié)構(gòu)體系的可靠性,也驗(yàn)證了車輻式張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。4.2結(jié)構(gòu)自振頻率和自振型振型、自振頻率以及阻尼比是反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的3個(gè)基本指標(biāo),是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。結(jié)構(gòu)真實(shí)阻尼比需要通過試驗(yàn)才能準(zhǔn)確測得,因此設(shè)計(jì)時(shí)往往依據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范取值。利用ANSYS有限元分析軟件對寶安體育場結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。分析模型分別采用主體索系結(jié)構(gòu)模型和整體索膜結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)前3階振型及自振頻率分別如圖15、16所示。可以看到,兩種分析模型的自振頻率略有不同,整體索膜結(jié)構(gòu)的自振頻率相對要低一些。該現(xiàn)象需要從結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量兩個(gè)方面解釋。膜材作為屋面覆蓋材料,屬于次結(jié)構(gòu),其預(yù)應(yīng)力大小有限,對結(jié)構(gòu)整體剛度影響甚微,圖17的膜材預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自振頻率關(guān)系就證明了這一點(diǎn):逐漸增大膜材預(yù)應(yīng)力,結(jié)構(gòu)自振頻率會有所提高,但幅度很小。一方面,膜材并未顯著提高索系結(jié)構(gòu)的整體剛度;另一方面,支承膜材的鋼拱增加了屋蓋質(zhì)量:屋蓋拉索和內(nèi)環(huán)撐桿總質(zhì)量約395t,而僅鋼拱質(zhì)量達(dá)185t;綜合這兩方面可降低整體結(jié)構(gòu)的自振頻率。盡管主體索系結(jié)構(gòu)和整體索膜結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的自振頻率略有差別,但兩者振型基本相同:第1階振型均表現(xiàn)為內(nèi)環(huán)扭轉(zhuǎn),第2、3階振型內(nèi)環(huán)則呈反對稱形式上下振動(dòng);觀察后續(xù)振型,主要分為兩類,一類是外環(huán)和索系在水平面內(nèi)的耦合振動(dòng),另一類則表現(xiàn)為內(nèi)環(huán)的豎向振動(dòng)或者同步扭轉(zhuǎn)(外環(huán)不動(dòng))。對于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu),第1階扭轉(zhuǎn)振型往往對結(jié)構(gòu)抗震較為不利,應(yīng)盡量避免。但對于寶安體育場,第1階振型并非整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn),而是索系上下內(nèi)環(huán)的相對扭轉(zhuǎn),屬于局部振型,對結(jié)構(gòu)整體受力并無不利影響。上述分析表明,主體索系結(jié)構(gòu)和整體索膜結(jié)構(gòu)振型相同,僅自振頻率略有差別,因此試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袥]有設(shè)置膜結(jié)構(gòu)。鑒于試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w量較大,試驗(yàn)中采用脈動(dòng)法量測內(nèi)環(huán)豎向振動(dòng)對應(yīng)的自振頻率和振型:12個(gè)豎向傳感器均勻布置于上內(nèi)環(huán)節(jié)點(diǎn),外環(huán)(28)軸處(圖2)布置傳感器用作參考點(diǎn)。模型的前4階實(shí)測內(nèi)環(huán)豎向振型如圖18所示,可以看到,內(nèi)環(huán)的豎向波峰數(shù)(不含波谷)與振型階數(shù)相一致。表5列出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念l率實(shí)測值與有限元分析值,可以看出兩者基頻非常接近,高頻誤差較大。究其原因,主要是制作安裝模型的過程中,由于焊接收縮、構(gòu)件自重等因素,外環(huán)與設(shè)計(jì)位形有一定偏差,影響了索力,進(jìn)而影響索系結(jié)構(gòu)的自振頻率。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥枘岜鹊臏y試方法如下:在(19)軸(圖2)上下內(nèi)環(huán)節(jié)點(diǎn)處布置豎向傳感器,用皮錘敲擊對應(yīng)內(nèi)環(huán)節(jié)點(diǎn)并迅速移開,使索系發(fā)生自由振動(dòng),通過加速度傳感器記錄自由振動(dòng)的衰減過程,進(jìn)而計(jì)算阻尼比,寶安體育場1∶10試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)測阻尼比為0.076。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c結(jié)構(gòu)原型的自振頻率之比按式(1)計(jì)算,其中Sσ、Sl和SM依次為試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的應(yīng)力比、尺寸比和質(zhì)量比。對于本試驗(yàn),由于索長、環(huán)梁尺寸加工誤差的原因,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力約為真型的0.56倍,即Sσ=0.56;試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真型尺寸的比例為1∶10,故Sl=0.1;如果施加配重,則試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真型的質(zhì)量比為1∶100,SM=0.01。已知試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖l率fm,可用式(2)計(jì)算結(jié)構(gòu)原型頻率fp。fmfp=SσSlSM????√(1)fp=fm/0.56×0.10.01??????√=fm/2.37(2)fmfp=SσSlSΜ(1)fp=fm/0.56×0.10.01=fm/2.37(2)式(2)計(jì)算結(jié)果見表5最后一列。該計(jì)算結(jié)果中第1階頻率(0.819Hz)與圖15所示第2階頻率(0.763Hz)(兩者振型相同)比較接近。這說明:1)按照圖15和圖16計(jì)算出的寶安體育場結(jié)構(gòu)自振頻率是可信的;2)無論試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是原型結(jié)構(gòu),都證明了文獻(xiàn)的結(jié)論,即車輻式結(jié)構(gòu)、空間索桁結(jié)構(gòu)等大跨度張拉屋蓋結(jié)構(gòu)的自振頻率密集,且前若干階自振頻率均小于1Hz。這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)致效應(yīng),應(yīng)通過風(fēng)動(dòng)力分析或氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行研究。5節(jié)點(diǎn)鋼拱設(shè)計(jì)對桿系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)師往往將其簡化為線性模型進(jìn)行受力分析,而不計(jì)入節(jié)點(diǎn)的空間性,即節(jié)點(diǎn)反映到模型里僅表現(xiàn)為剛接或鉸接,只有在求得結(jié)構(gòu)內(nèi)力后,才對節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。本節(jié)選取了寶安體育場若干典型節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造,旨在說明車輻式張拉結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則以及注意事項(xiàng)。圖19a所示的內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn),用于內(nèi)環(huán)索、撐桿、上徑向索及膜材邊索之間的連接。該節(jié)點(diǎn)造型與受力非常復(fù)雜,故采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能要求。將內(nèi)環(huán)置于索道,再用索夾將環(huán)索夾緊在鑄鋼連接件上,節(jié)點(diǎn)安裝即告完成。內(nèi)環(huán)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算包括內(nèi)環(huán)索的抗滑移能力和鑄鋼件折算應(yīng)力分析。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)平面上完全相似,所以各種荷載工況下內(nèi)環(huán)索拉力差很小,最大差值僅55kN,而節(jié)點(diǎn)抗滑移能力達(dá)227kN,完全滿足使用要求。內(nèi)環(huán)索分為6股可避免采用過大截面尺寸的拉索,有利于索夾緊固和受力。為了使索傳力順暢,內(nèi)環(huán)索道的曲率特意與內(nèi)環(huán)索設(shè)計(jì)位形保持一致,從構(gòu)造上考慮了節(jié)點(diǎn)的空間效應(yīng),確保了整體分析模型的準(zhǔn)確性。索桁架之間設(shè)置鋼拱,用于支承屋面膜材,圖19b為拱腳節(jié)點(diǎn)詳圖。當(dāng)鋼拱兩側(cè)膜材受不同荷載作用時(shí),鋼拱能自由轉(zhuǎn)動(dòng),而不會在拱腳兩端產(chǎn)生過大的約束反力。如何實(shí)現(xiàn)鋼拱和徑向索之間的鉸接連接,是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在這個(gè)節(jié)點(diǎn),匯聚了徑向索、鋼拱、懸掛索以及拱腳拉索等若干構(gòu)件,可通過索夾將一塊連接板夾緊在徑向索上,再用銷軸穿過拱腳支座節(jié)點(diǎn)板和連接板以實(shí)現(xiàn)拱腳鉸接;連接板底部設(shè)置索夾和懸掛索相連;拱腳間拉索(用于平衡拱腳推力,圖中未畫出)則錨固于支座節(jié)點(diǎn)板上。這一節(jié)點(diǎn)為剛性構(gòu)件和拉索之間的連接提供了很好的示例,索夾的靈活應(yīng)用是索系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的鮮明特色。屋面施工階段,腳手架也經(jīng)常通過索夾直接錨固于徑向索,使用非常方便。圖19c、19d描述了膜材不同邊界的連接方式,分別為膜材和徑向索、外環(huán)的連接,可以看到,膜材邊界的處理較為簡潔,鑒