喀什体育中心游泳馆钢结构设计

GXF360 2018-04-16

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1 工程概况

新疆喀什体育中心工程建设场地项目选址位于喀什老城区以东喀什经济开发区内,下牙郎水库以西,深喀大道以南。规划占地245513.85m2,净用地面积218952.87m2,规划建筑面积约6万m2。建设内容包括体育场、训练场、体育馆、游泳馆,即“两场两馆”。游泳馆建筑面积16 807.6 m2,包括约1 000人看台、10 m跳台、比赛池、办公管理、设备用房等。

游泳馆主体部分平面形状为矩形,平面尺寸约105.0 m×86.6 m,左侧为弧形飘带加斜柱结构,屋面最高处标高为18.8 m。游泳馆下部结构为钢筋混凝土框架结构,由框架柱支承钢结构网架。整体结构如图1所示。

图1 喀什游泳馆整体结构示意图
Fig.1 The overall structure diagram of Kashi swimming pool

2 结构选型及布置

本工程为钢-混凝土组合结构,下部为钢筋混凝土结构,在泳池上方屋盖部分为钢结构网架,其余部分屋盖为混凝土屋盖。整个钢结构屋盖覆盖于游泳馆顶部,形成一个封闭大跨度空间。网架采用坡屋面,满足建筑排水功能的需求,中间最高点为18.8 m,两边最低点的高度为16.4 m,高差为2.4 m。网架长度为90.0 m,宽度为40.0 m,厚度为2.8 m［1］。采用正放四角锥网架,支座节点采用焊接节点,其余节点全部采用螺栓球节点。钢网架屋盖的整体刚度大,减小由于下部泳池部分和看台部分楼板缺失引起的各支座间的变形不协调［2］。

钢网架采用下承式,通过弹性球型钢支座支撑在38个框架柱上,如图2、图3所示。

图2 喀什游泳馆钢结构轴测图
Fig.2 The steel structure axonometric of Kashi swimming pool

图3 喀什游泳馆钢结构示意图
Fig.3 The steel structure diagram of Kashi swimming pool

3 结构主要设计参数

3.1 结构设计等级

建筑结构安全等级：二级,结构重要性系数：γ0＝1.0。建筑抗震设防类别：丙类,设计地震分组为第三组。建筑结构构件耐火等级：不低于二级。

3.2 结构设计年限

结构设计基准期为50年,结构设计使用年限为50年。

3.3 结构设计荷载或作用

本工程所在地区抗震设防烈度为8度,地震分组为第三组,基本地震加速度值为0.30g,场地类别Ⅱ类。

基本风压：依据建筑结构荷载规范50年重现期的基本风压值0.55 kNm2；地面粗糙度为B类；根据相关工程经验,正风工况下,屋面风荷载体型系数取0.5,风振系数取1.0；负风工况下,屋面风荷载体型系数取-0.8,风振系数取1.5。［3］屋面附加恒载：0.70 kNm2；马道荷载：2.0 kNm2,包括马道自重、强电灯具等,按设备专业要求位置布置；屋面活荷载：0.5 kNm2；雪荷载：0.56 kNm2（考虑荷载规范屋面分布系数1.25）。

对钢结构屋盖取整体设计温差温差：±30℃进行温度作用分析。

3.4 主要的荷载工况

风X和风Y成对出现,地震X和地震Y成对出现,升温和降温成对出现,以下省略风Y、地震Y和降温对应的组合,仅选择有代表性的荷载：⑴1.35恒+1.4（0.7）活；⑵1.0恒+1.0活；⑶1.2恒+1.4（0.7）活+1.4风X；⑷1.2恒+1.4活+1.4（0.6）风X+1.4（0.6）升温；⑸1.35恒+1.4（0.7）活+1.4（0.6）风X+1.4（0.6）升温；⑹1.2（1.0恒+0.5活）+1.3地震X+0.5竖向地震+1.4（0.2）风X；⑺1.0恒+1.4（0.7）活+1.4风X+1.4（0.6）升温；⑻1.35恒+ 1.4（0.7）活+1.4（0.6）升温。

3.5 结构分析软件及用途

MIDAS上部钢结构屋盖的计算分析、整体模型的计算分析、模态分析、非线性分析等［4］。

4 分析结果

4.1 整体模态分析

由于钢结构屋盖较轻,振型较为密集,结构振型取45阶后,X、Y、Z三个方向的振型累计参与质量才达到90%以上。

从图4中可以看出,整个结构满足“平平扭”的结构振动规律,属于规则结构。结构下部刚度比屋盖的刚度大,在结构平动和扭转时表现比较明显。结构第3阶振型为扭转,扭平周期比T3T1=0.610.72=0.85＜0.9,满足规范要求。

图4 结构前6阶振型及相应周期
Fig.4 The first six modes and the corresponding period of structure

表1汇总了结构前45阶振型下结构的有效振型质量参与系数,X、Y、Z三个方向的有效振型参与质量系数分别达到了97.91%,98.09%,91.20%,均大于90%,符合GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的要求。

表1 结构前6阶及第45阶周期与累计质量参与系数
Table 1 The first 6 and 45th cycles of the structure and the cumulative mass participation coefficient

4.2 网架杆件应力比分析

钢网架的杆件采用Q345C钢材,综合考虑结构的安全与经济性,确定构件应力比控制原则为：钢网架等主要构件的应力比不大于0.85。网架主要受力杆件的应力比在0.3～0.92之间,经验算结构构件,在基本组合和地震组合作用下,杆件应力比均满足要求。满足GB 50017-2003《钢结构设计规范》中的规定。

根据汪毅俊,等［4］的研究,网架的失效主要是由于受压杆件失稳,故通过加强压杆来提高网架结构的极限承载力。在网架杆件的计算优选中,通过应力比的数值来判断杆件截面是否达到最优,在用钢量略有增加的基础上,能够显著提高网架的极限承载力。由于与杆件计算长度系数相应的长细比决定压杆的稳定系数,所以在设计中,可以通过提高网架压杆的计算长度系数来加强压杆截面。

网架结构应力比小结：

⑴ 网架的大部分杆件应力比均小于0.85,既保证杆件的承载力有一定的冗余度又充分发挥杆件的性能,满足经济用钢量的设计要求。

⑵ 从图5可以看出,网架腹杆的应力最大,下弦杆件的应力比其次,上弦杆件的应力比最小,大部分杆件的应力比满足小于0.85的限制。在网架杆件的优化过程中,可以优先考虑优化腹杆的应力比,尤其是受力最大的网架中间部分的杆件。

图5 网架杆件的应力比
Fig.5 The stress ratio of grid rods

⑶ 该工程中最大杆件180×10的应力比最大值达到0.919,但是数量很少。从表2中可以看出每种截面的杆件最大应力都在0.6～0.9的范围之间,结构杆件充分发挥作用。

表2 杆件的最大应力比
Table 2 The maximum stress ratio of grid rods

4.3 钢结构屋盖的位移

结构竖向变形与跨度比值：

△z L＝96 mm43 200 mm＝1450＜1250,竖向最大位移为位于网架结构的中央位置,位移满足要求GB 50017-2003《钢结构设计规范》第A.1.1条中的规定,同时位移也满足JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》第3.5.1条中的规定［5］。各工况的竖向位移如图6。

图6 钢屋盖竖向位移图
Fig.6 The displacement of steel roof vertical（mm）

竖向地震和温度升降30℃三个工况下网架的最大位移均满足球形支座水平±50 mm的设计要求。一般认为,网架结构的温度应力主要是由于网架温度变形受到支座节点的约束阻碍而产生的。如果不考虑温度数值改变的影响,会因为个别构件的强度、刚度不足而影响到整个结构的质量和安全,所以有必要对结构进行温度荷载作用下的内力分析和变形分析,用最合理的内力设计构件［6］。喀什游泳馆由于特殊的地理位置和使用功能,室内外温差较大,所以结构在地震工况和温度升降30℃这3个工况下,网架结构的位移数值较大（如表3）。

表3 网架水平位移统计表
Table 3 Horizontal displacement statistics of grid （mm）

4.4 柱顶水平位移

钢结构网架的整体刚度很大,对于下部混凝土结构尤其是结构外侧单排柱子,网架与下部混凝土的相互作用,对下部结构的设计有很大的影响。在地震工况作用下,结构柱顶的位移大小均比其他工况的数值大,在设计中起控制作用。

4.5 支座反力

通过对各工况进行分析,钢屋盖在水平和竖向单个方向的包络工况最大反力（每个数据对应所在位置为柱顶支座位置）,其中最大的支座竖向反力709.4 kN,最大水平推力310.1 kN。

选用支座时,应优先考虑支座的竖向和水平承载力,喀什地区位于高烈度区域,所以该支座必须具有一定竖向的抗拔力。弹性球形支座需要在水平方向提供足够大的约束力,来约束网架结构由于温度升降产生的水平力且能与网架的水平位移变形协调。根据计算所得各个支座位置的荷载参数,该工程所采用的弹性球形钢支座的参数如下：支座水平刚度5 kNmm,竖向承载力1000 kN,抗拔力100 kN,X、Y向水平位移±50 mm, X、Y向限位破坏荷载分别为350 kN、250 kN,支座尺寸为680 mm×680 mm×310 mm。

根据各工况下的最大反力选取弹性球型钢支座的型号,该支座既能抵抗一定的水平剪切,又可以释放地震能量,减少地震对建筑物的破坏［7］。这种形式的支座可以有效模拟网架支座真实受力情况,减小支座对钢筋混凝土柱的水平推力,减少温度变形对网架的不利影响,游泳馆共设置38个弹性球型钢支座。球形支座坐落在型钢混凝土柱上,与竖向构件共同提供环向和径向约束,抵抗水平推力,承担竖向荷载,在静力荷载作用下结构受力状态合理,传力途径明确,支座的设计参数取值合理［8］。