全民健身体育场结构设计浅析
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摘要：以天长市全民健身中心体育场项目为研究背景，设计时对下部的超长混凝土结构和上部钢罩棚结构进行了重力荷载、风荷载、地震荷载计算，同时对超长混凝土结构补充了温度应力计算，给出了减少结构裂缝的设计和施工措施。对上部的大悬挑管桁架结构补充了结构整体屈曲分析，研究分析了相贯节点的加强构造措施，并对复杂铸钢节点补充了应力分析，确保了结构设计安全。
关键词：温度应力；风洞实验；整体屈曲分析；铸钢节点应力分析
1工程概况
天长市全民健身中心项目包含体育场、体育健身综合馆、配套商业以及室外市民健身运动场地。其中体育场总建筑面积21121m2（不含观众大台阶），共12266座观众座椅，地上局部三层，钢结构屋盖完成面最高点32.945m。其中混凝土功能用房部分最高点位于西侧看台上方的局部三层机房区域，其最高点顶板标高18.605m。建筑效果图见图1。图1天长市全民健身中心体育场体育场主体结构采用钢筋混凝土框架结构，上部罩棚采用钢桁架结构体系，屋面采用金属屋面。钢结构罩棚外观呈几何拼接状，外形来源于天长的市花“茉莉花”。平面呈椭圆形，南北向长约243m，东西向宽约22m，径向桁架悬挑最大长度约为28m，屋盖结构最高点约为31.8m。上部钢结构和下部混凝土结构通过内圈和外圈支柱连接。该部位框柱采用型钢柱。支座采用抗震球铰支座，为保证建筑整体美观性，钢结构罩棚和下部混凝土结构均不设变形缝。
2结构计算分析
2.1结构选型
体育场下部混凝土结构采用框架结构，室外大台阶和看台的框柱为方柱，其他均为圆柱，截面类型为600X600、800X800、Φ800、Φ1200、Φ1500。由于结构超长，为避免扭转，沿结构环向均匀设置了一些柱间支撑，此部分支撑与相连的框架柱采用抗震性能化设计。体育场钢结构屋盖主要由径向桁架、环向立体桁架、中部片桁架、环向立体三角锥桁架、墙面单层钢架以及水平支撑组成[1]，上部钢结构通过内圈和外圈支座支撑到下部混凝土柱上。考虑到屋盖钢结构实现的经济性，并最大限度满足建筑专业造型要求，经过方案比较，上部结构的主要受力体系：内外圈支座支撑的径向悬挑主桁架作为主要受力结构，径向片桁架间距约在5m~6.5m，主桁架与悬挑根部的环向立体桁架形成封闭的受力体系。考虑到建筑造型以及屋盖面外刚度，在径向主桁架间设置多道次桁架，一道环向片桁架、悬挑端部的封边三角锥立体桁架构成结构完整受力体系。为了提高屋盖整体环向刚度和水平传力路径效率，分别在径向设置了12道通长水平支撑和1道环向水平支撑。管桁架采用相贯节点，局部杆件相交较多处以及支座采用铸钢节点。
2.2荷载作用分析、取值及效应组合
2.2.1重力荷载。混凝土部分楼面恒、活荷载和隔墙荷载按照建筑功能做法和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）确定。钢结构部分：金属屋面+檩条：1.0kNm2，墙面：1.0kNm2。屋面活载按0.6kNm2考虑（考虑100年一遇的雪荷载）；马道自重按2.5kN/m计算，活载按1.0kN/m考虑。屋盖灯具、配电箱以及桥架线缆按照相关专业提供荷载施加。
2.2.2风荷载分析及取值下部混凝土。部分风荷载按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）取值，由于屋顶罩棚为大悬挑轻钢结构，属于风荷载敏感结构，本文重点研究钢结构部分的风荷载取值。基本风压取0.40kN/m2（100年重现期），地面粗糙度：B类，风压高度系数mz=1.416（最高点离地面31.801m）。由于罩棚体型的特殊性，现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）无现成可用的体型系数，为确保结构设计安全合理，在施工图设计阶段，特委托合肥工业大学科研团队在湖南大学边界层风洞实验室进行了缩尺比1：250的刚性模型测压实验，钢结构屋面及立面共布置了上下各220个测点，报告提供了一共24个风向角的测压数据，根据报告结果[2]，经过对比分析最终选取了0度、90度、180度、270度四个风向角参与计算。根据测点的测压数据线性插值得到了钢结构一共3033个节点的风压系数，在3d3s软件里用文档数据导入这些节点的风压数据，即可参与整体风荷载计算。风振系数依据报告结果[3]且考虑工程实际取βz=1.8。2.2.3地震荷载及取值。依据《建筑抗震设计规范》，天长地区抗震设防烈度7度，记基本地震加速度值0.10g，设计地震分组：第二组。抗震设防类别为丙类，但依据《安徽省防震减灾条例》，本工程为人员密集类建筑应提高一档抗震设防，故抗震计算按照7度0.15g取值。2.2.4温度荷载分析及取值根据《建筑结构荷载规范》，设计阶段温度荷载取值如下：上部钢结构：+30℃（温升）；-25℃（温降）。下部混凝土结构：+26℃（温升）；-20℃（温降），混凝土收缩当量温差取10℃，故混凝土降温为-20-10=-30℃。虑混凝土徐变变形引起的构件应力松弛，应力松弛系数取0.3。2.2.5作用效应组合在承载力极限状态荷载效应设计中，选取了总计50种组合，基本涵盖了结构在施工及使用阶段的各种最不利情况。其中包括无地震组合34种，考虑地震作用组合10种，双向及三向地震组合6种。在正常使用极限状态荷载效应设计中，采用了5种荷载效应组合。另外，增加了中震复核工况组合各13种。2.2.6内力分析下部混凝土结构采用YJK系列软件建立空间结构模型，上部钢结构采用3D3S软件计算，整体模型组装采用sap2000软件进行复核。同时对于钢结构部分补充了特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。
3结构设计
3.1基础设计
依据本工程勘察报告，基础采用钻孔灌注桩，桩径为Φ800、Φ1200，支撑上部钢桁架前端柱底为抗压桩，后端柱底为抗压兼抗拔桩。基础设计等级为甲级，工程施工前期已做非工程桩试桩，单桩承载力满足设计要求。
3.2主体结构设计
下部混凝土结构采用YJK软件进行分析设计，支撑上部钢桁架的框柱采用型钢柱。考虑结构的重要性和复杂性，对于局部构件采用性能化设计，其中支撑上部钢结构框柱、单跨混凝土结构的框架柱按中震正截面受弯弹性、斜截面受剪弹性设计，除此之外其他混凝土竖向构件（不含纯地下室柱，屋顶局部梁上柱）按中震正截面受弯不屈服，斜截面受剪不屈服设计，二层、看台层支座环梁，柱间支撑跨框架梁，单跨框架梁按照中震正截面受弯不屈服，斜截面受剪不屈服设计。由于下部混凝土结构超长，用sap2000软件补充了楼板应力计算，首层及梯段板的应力云图如图4所示，由图可以看出：首层楼板应力均小于1.0MPa。梯段板环向应力随高度增大而降低，环向应力大部分小于1MPa，但在楼板折角位置有应力集中的现象，应力接近2MPa；梯段板径向应力，过渡平缓，均在0.38MPa左右。此处楼板板厚为130，板配筋加强为10@150双层双向，以有效抵抗温度应力，确保混凝土拉应力小于限值。结构最内圈及最外圈框架梁、柱配筋也比计算值加大15%左右配置，环梁上下均采用四根通长筋，加大抗扭钢筋作为腰筋。同时施工期间采取了如严格控制后浇带间距，采用低水化热水泥，采取合理的施工工序及后浇带封闭顺序等，并要求施工单位编制详细的混凝土施工方案，包括混凝土的配比、粉煤灰掺量、外加剂种类及用量、后浇带的处理、施工组织及养护措施等，并经专门论证后方可施工。上部钢结构采用钢管桁架结构，上下弦管连续，腹杆支管采用相贯节点，根据《钢结构设计标准》条文，结构计算时按照支管和主管刚接、铰接包络设计。杆件截面在满足受力及构造基础上采用程序优选界面。钢屋盖构件在恒、活、风、温度及小震最不利组合下大部分杆件应力水平低于0.8，大部分桁架弦杆应力受地震与温度荷载组合控制。钢结构杆件满足中震不屈服性能要求，在中震弹性复核结果下大部分杆件应力比均低于0.8，与恒、活、风荷载、温度荷载及小震最不利组合相比，应力比水平略有增大。对整体结构补充了特征值屈曲分析，考虑结构自重作用初始态下，附加恒载和活荷载组合工况下结构发生线性屈曲的荷载系数为17.89（第一阶屈曲模态），利用欧拉公式反算杆件的计算长度，均小于规范规定的杆件计算长度。考虑材料线性、几何非线性，采取恒+活的加载模式，用SAP2000计算上部钢结构的整体稳定性。几何初始缺陷按线性屈曲分析中第一阶屈曲模态分布，最大缺陷值取径向桁架悬挑长度的L/400(L为径向桁架悬挑长度)。计算结果显示（图6），结构发生非线性屈曲时，竖向基底总反FZ=677966.13kN。静力计算中在附加恒和活荷载标准值作用下，其竖向基底总反力FZ=76067.86kN，重下竖向基地反力FZ=30194.39kN，故结构稳定性极限承载力临界系数K（677966.13-30194.39）/76067.86=8.87>5，满足要径向S22环向S11图4梯段板的温度应力图5杆件应力比分布求。
3.3节点设计
主管和支管间采用相贯节点，在主次管较多相交地方，采取了如主管变径，节点偏心调整等措施保证施工质量（详图7），但是由于结构体型复杂，最多节点处汇交了11根杆件。故对于这些受力复杂且杆件众多的节点均采用了铸钢节点。鉴于规范[4]中未明确该类复杂节点的验算方法，为确保结构安全，本文对这些节点建立三维模型，补充了应力分析[5]。各节点均选用四面体网格，单元类型C3D4（四结点线性四面体单元）。在各个支管的形心位置建立参考点，并建立与各截面的耦合约束。边界根据实际工程情况，铸钢节点截面底部采用固定约束；其他管端作为刚性区域，在刚性区域的形心位置建立局部坐标系并施加集中荷载。支座节点有限元模型及应力分析见图8。由图8可知，应力大的部位集中在杆端荷载较大的一侧，应力大小在70MPa左右，另一侧区域应力值有明显的减小，应力大小在10MPa左右。节点的最大应力值为113MPa，出现在杆件（2、5）的汇交处。应力峰值没有超过材料的屈服强度，节点所有区域的应力都在弹性范围之内，节点大部分区域的应力都在100MPa以内，由此也可推断节点所受荷载远远小于其承载力。节点设计安全可靠。
4结论
①体型复杂的大悬挑罩棚结构属于风敏感结构，其风荷载取值应由风洞实验提供，以确保结构设计安全。②对于超长的混凝土结构，应进行温度应力计算，根据计算结构配置温度钢筋，同时施工期间应采取多种综合措施确保结构使用期不开裂。③对于大跨度钢结构应补充屈曲稳定性分析。④对于受力复杂的相贯节点，规范未给出明确的节点强度验算公式，应补充应力分析，确保结构设计安全。
参考文献
[1]悉地（北京）国际建筑设计咨询有限责任公司.天长市全民健身中心-体育场初步设计说明[R].2020.
[2]合肥工业大学.天长市全民健身中心--体育场风洞动态测压试验报告[R].2020
[3]合肥工业大学.天长市全民健身中心--体育场风振分析及等效静力风荷载研究报告[R].2020
[4]GB50017-2017,钢结构设计规范[S].
[5]漆俊,邹祖军.基于ABAQUS的型钢混凝土复杂节点分析[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2016,34(03):347-349.
作者:刘毛方 孟磊 单位:安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司
