某体育馆大跨度屋盖钢结构设计

某体育馆大跨度屋盖钢结构设计

刘永

新疆通艺市政规划设计院 新疆乌鲁木齐

概要：内蒙古某体育馆直径98.6米，跨度最大91.8米，建筑面积约1.8万平方米，地下一层，地上四层，高33米，屋盖采用空间钢管桁架结构设计，桁架高3.6米，屋盖中心采用玻璃球顶，直径20米，中心凸起的玻璃屋盖采用单层网壳结构，本文对此建筑进行系统分析，供类似结构设计参考。

关键词： 体育馆、大跨度、屋盖、钢结构

1 工程概况

本工程规划地址位于内蒙古某市，建筑造型美观大方，融入了蒙古包等多种当地文化元素，是一座富有民族特色的体育文化建筑。建筑面积约1.8万平方米，地下一层，地上四层，高33米。效果图见：图1 轴测图、图2 立面图

图1轴测图

图2立面图

本工程主体结构采用混凝土框架，基础采用独立基础+防水筏板。屋面最大直径98.6米，跨度91.8米，两侧各悬挑3.4米，采360度卷边压型彩钢板屋面，屋面结构为空间钢管桁架结构，屋顶局部采用玻璃球面，直径20米，考虑结构透光和美观性，综合各方意见，中心凸起的玻璃屋盖采用单层网壳结构。

如下所示：图3

图3

2 荷载取值

（1）恒载标准值（含檩条）：彩钢板0.6KN/m²。玻璃屋面1.5KN/m²。恒载按展开面积计算，实际加载时根据屋面坡度进行计算放大。

（2）屋面活荷载标准值： 0.5KN/m²。屋面活荷载按实际投影面积进行加载。计算时应考虑半跨不均匀分布。

（3）风荷载标准值：根据《建筑结构荷载规范》，按100年重现期取基本风压：0.6kN/m²,地面粗糙度B类，由于建设方不能提供风洞试验报告，风荷载体形系数参考规范取值-0.6~-0.8，屋顶突出屋面局部考虑正风压0.6。

（4）雪荷载标准值：根据《建筑结构荷载规范》，按100年重现期取基本雪压：0.3kN/m²,雪荷载准永久值分区为Ⅱ类，屋面造型周边为凹型，需考虑积雪荷载。

（5）地震荷载：地震设防烈度为7度.基本地震加速度值为0.15g，地震分组为第一组，阻尼比为0.035，场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为0.45秒。

（6）马道活荷载标准值：

马道平面布置总长34.3米，总宽23.4米，马道净宽1米，检修荷载按2kN/m²，马道自重和设备荷载另算。马道布置详见图4：

图4 马道结构平面布置图

（7）其中温度荷载考虑如下：

温度荷载：钢结构屋盖：+35°C，-40°C，主体结构合拢温度为5°±5°C。

3 结构方案选择

标高16.5m以下采用混凝土框架，屋盖跨度达91.8米，两侧各悬挑3.4米，常规结构方案主要有三种：张弦梁结构、网架结构、桁架结构。张弦梁结构由于钢梁下部有预应力索，不满足建筑方案要求，网架结构杆件过于密集，经过大家讨论和研究结果，最终采用空间钢管桁架结构。经过计算分析，屋面由16榀辐射状桁架和5圈环形桁架组成，钢管桁架结构高3.6m,钢管材质采用Q345B,截面主要为φ89X5~φ351X25，柱脚采用抗震球铰支座。结构立面详见图5

图5 立面结构布置图

根据规范要求，对于复杂异形结构，至少应采用两种有限元软件进行计算，本工程采用PMSAP和MIDAS GEN两种软件进行设计和复核。详见图6和图7

图6 PMSAP(SPASCAD)结构模型

图7 MIDAS GEN结构模型

经分析计算，PMSAP和MIDAS主要控制指标计算结果对比如下：

计算软件		MIDAS	PMSAP
结构总质量（t）		35082.703	34979.5
周期	T1	0.8042（平动）	0.764667（平动）
	T2	0.7211（平动）	0.718312（平动）
	T3	0.6556（扭转）	0.665258（扭转）
有效质量系数	X向	97.87%	98.10%
	Y向	98.84%	98.09%
地震作用 层间位移角	X向	1/700	1/738
	Y向	1/608	1/764
地震作用下楼层最大位移与该楼层平均位移的最大比值	X向	1.347	1.42
	Y向	1.334	1.21
基底剪重比	Qox/Ge	8.00%	8.32%
	Qoy/Ge	10.9%	10.82%

经过对计算模型的仔细复核，计算结果基本一致，结论可信，满足规范设计要求。通过对屋面结构单独分析，屋面基本特性如下：第一自振周期T1=0.425s，非竖向震动。

图8 第1阶振型

各 工况作用下，结构的最大位移几乎都发生在屋盖凸起部分（小球与大球交接处）环向边缘处，小球和大球交接处的环向桁架为主要受力构件，宜适当加强。根据屋盖的整体计算结果，在考虑恒载、活载标准组合作用下，节点最大位移分别为109.4mm,小于L/400=229.6mm,L为屋盖跨度。

图9 竖向位移等值线图

整体稳定分析：在进行屋盖的屈曲模态分析时，考虑了结构初始缺陷，取跨度的1/300为缺陷最大值，分别考虑了恒载（工况1）、恒载+风载（工况2）、恒载+全跨活荷载（工况3）、恒载+半跨活荷载（工况4）4种工况，采用几何非线性全过程分析。分析表明结构在恒载与全跨活载作用下，结构特征值屈曲分析的前4阶模态均主要表现为次桁架不同程度的屈曲变形，其中第一振型安全系数为11.8>4.2(空间网格结构技术规程),考虑几何非线性安全系数为10.6>2.0(空间网格结构技术规程),故屋盖整体稳定满足规范要求。由于屋盖钢结构在典型荷载工况下的失稳形式主要为次桁架失稳，由于支撑系统的存在，使得屈曲变形集中在次桁架处，但不会因次桁架屈曲而导致结构整体失稳，拱体的屈曲临界荷载高，对结构整体稳定性能良好，结构的安全性由杆件强度与杆件稳定性控制。

4 节点设计

（ 1）桁架结构采用钢管相贯连接节点，对于内力较大的节点采用局部加厚钢管厚度，对于腹杆角度较小杆件连接采用增加连接板的构造方法，见图10所示： 图10

（2）屋面桁架与混凝土框架连接节点采用抗震球铰支座，抗震评审时有专家对支座是否能得到及时维护和支座能否自由转动提出质疑，最终结构计算时按钢结构和铰接两种模型对屋面结构进行包络设计，确保结构使用安全。

（3）屋面檩条采用矩形钢管檩条，材质Q235B，螺栓连接。

5 防腐及防火要求：结构防腐涂料采用无机富锌底漆两道+环氧云铁中间漆两道+氯化橡胶面漆两道，干漆膜厚度不小于150μm。结构耐火等级按二级考虑，钢结构桁架耐火极限：2小时，屋面檩条耐火极限：0.5小时，采用薄涂型防火涂料。

6 结论

本项目结构跨度较大，造型独特，具有一定的设计难度，经过以上分析，结论如下

（1）结构荷载计算要仔细，对于大型文化场馆，应充分考虑结构自重和设备荷载，包含但不限于装饰、灯光、马道、音响、轨道、显示屏幕等。

（2）对于大型结构的结构方案应多方协商讨论，确保满足各方要求，避免出现大面积返工。

（3）通过对比分析，本体育馆结构整体稳定性良好，结构各项特性能满足规范设计要求。

参 考 文 献

[1] GB50017-2017 钢结构设计标准 [S] .北京：中国建筑工业出版社，2018

[2] GB 50661-2011 钢结构焊接规范 [S] .北京：中国建筑工业出版社，2012

[3] GB50009-2012 建筑结构荷载规范 [S] .北京：中国建筑工业出版社，2012

[4] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范（2016年版）[S] .北京：中国建筑工业出版社，2016

[5] JGJ7-2010 空间网格结构技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[6] GB 51249-2017 建筑钢结构防火技术规范 [S] .北京：中国计划出版社，2018

[7] GB 50046-2018 工业建筑防腐蚀设计规范 [S] .北京：中国计划出版社，2019

个人介绍：

刘永，男，汉族，同济大学工学硕士，国家一级注册结构工程师