鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：大跨度空間結構是目前發展最快的結構類型之一，其技術的發展是一個國家土木建筑業水平的重要衡量標準和建筑科技水平的重要標準之一。當跨度增大時，空間結構就越能顯示出其優異的技術經濟性能。近年來，大跨度空間結構設計的理論和技術水平得到了交大的提高。本文將對濰坊市體育中心—體育場的結構體系的設計進行闡述，以期對類似工程有參考作用。
關鍵詞：大跨度空間鋼管桁架結構設計
1、工程概況
濰坊市體育中心—體育場項目是濰坊市為2009年第十一屆全國運動會規劃建設的重點體育設施項目。體育場位于濰坊市濰城區的核心地區，北宮西街北側，安順路東側，臥龍街南側，清平路西側。
整個體育場為六層鋼筋混凝土框架結構，看臺共三層，看臺罩蓬為大跨度鋼桁架結構承重結構體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺罩蓬的結構設計。
體育場看臺罩蓬平面呈橢圓形，屋蓋為四分之一圓弧形，長軸263米，短軸240米，東西側設有落地拱形金屬拱形屋蓋，覆蓋整個東西兩側觀眾席，落地拱長300米，最大進深63.5米，落地拱高70米，看臺最高點標高35.4m,金屬屋面高57米。看臺罩蓬面積約為20000平方米。全場可容納觀眾約45000人。見圖1
濰坊市體育中心—體育場效果圖
2、結構概況
體育場看臺罩蓬結構體系可分為縱，橫向結構體系，縱向結構體系為單榀曲面拱形管桁架，桁架跨度L=300米，矢高f=70米，矢跨比f/L=1/42.8,較一般桁架矢跨大，剛度較好，桁架橫截面為三根鋼管弦桿組成的正三角形，單?鋼管軸線平面投影為曲線，與平行拱相比，其建筑造型更為優美。橫向結構體系為跨度為約27米~63.5米不等的18榀懸挑剛架和7道縱向環梁。各剛架之間的間距為8米~10.5米不等。剛架梁和剛架柱都為單根鋼管，梁和柱平面內設置斜撐，斜撐上點約在距梁柱節點5米處，下點位于柱腳處。縱向環梁為單根鋼管，剛接在剛架梁上，同時可作為鋼架梁的平面外支撐，保證剛架的側向穩定和剛架的整體穩定。每榀剛架與拱形桁架的平面內設置兩根鋼拉桿和一根斜撐，拉桿上節點在桁架的上弦節點，下拉點在剛架的前懸挑端4~6米處，斜撐上拉點位于近剛架內側桁架上弦節點，下拉點在剛架的前懸挑端約15米處。連接節點均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管，節點均為相貫面焊接。該結構由拱形桁架，懸挑剛架和環梁通過鋼拉桿和斜撐連接在一起，形成一個完整的自平衡體系，同時兩種結構體系的相互作用，使兩者具有變形協調的關系，較好地控制了結構體型的變形，不僅大幅度降低了剛架的豎向撓度，而且有效提高了結構的穩定承載力。同時，簡潔有序的幾何構形同時取得了建筑美學效果。由于體育場看臺罩蓬的橫結構體系類似于平面受力體系，由拱形桁架，剛架,和縱向環梁和拉桿組成的構件，在縱橫向有較大的剛度。該結構具有結構輕盈，鋼結構構件類型少的特點，具體結構平面圖和剖面圖布置如下：見圖2，圖3
3、 荷載和作用
3.1設計使用年限與安全等級圖
按照相關要求和設計規范，結構耐久性設計年限為50年，設計基準期為50年，結構重要性系數為1.0，建筑耐火等級為一級。看臺罩蓬鋼結構的安全等級提高為一級，結構重要性系數為1.1。
3.2恒荷載與活荷載
恒荷載包括結構自重，屋面檁條，屋面板以及涂層和焊縫的質量。其中結構構件自重由輔助計算的程序自動計算，其他恒荷載按面荷載0.4kN/m2考慮。活荷載按面荷載0.4kN/m2考慮，考慮屋面活荷載分布不均勻性的影響，設計時采用半跨活荷載考慮其不利影響。
3.3 地震作用
抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.15g,設計地震分組為第一組，建筑抗震設防為乙類，設計基準期為50年。勘察報告顯示該地區場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35S，上部看臺罩蓬鋼結構阻尼比為0.2。
3.4 風荷載
根據GB50009-2001 《建筑結構荷載規范》（2006年版），本工程取50年一遇的基本風壓W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度類別為B類。由于結構為大跨度結構，周邊基本敞開未封閉，其上下表面均受風的作用，風荷載分布較為復雜，通過比較，風向角為0°，45°，60°，90°時風的分布對結構設計最為不利。風壓高度變化系數由程序自動計算，設計時取風振系數為1.6。
3.5荷載工況組合
結構設計組合考慮了正負30度溫差效應，水平地震，各風向角等工況，采用的荷載工況組合形式共計50多種，溫度效應對大跨度空間結構影響較大，而現規范對溫差效應無明確規定，根據現有的研究成果及參考相應規范，承載能力極限狀態荷載效應組合時，溫度效應組合系數取1.2，考慮到最不利溫差與活荷載，地震，風，雪等作用同時發生的可能性很小，與上述荷載組合時組合系數取0.6，正常使用狀態組合時組合系數取1.0恒載+1.0溫差效應。對于正常使用極限狀態，計算結構位移取標準組合。
四、結構整體計算與設計
通過CAD為操作平臺，根據實際結構中個桿件的空間位置建立模型，其整體模型如下圖，(見圖4)再根據上述條件，荷載及組合對結構進行整體計算，由計算確定的主要結構桿件截面如下：1）拱形管桁架部分：上弦截面尺寸為￠711x16,下弦截面尺寸為￠801x16, 靠近拱腳部位腹桿截面尺寸為￠508x16, 中間腹桿截面尺寸為￠355x10,拉桿和斜撐截面尺寸分別為￠457x12, ￠508x16。2）剛架部分：1~3榀柱和梁截面尺寸均為￠801x20,斜撐截面尺寸為￠610x16, 4~6榀柱和梁截面尺寸分別為￠801x20和￠912x20,斜撐截面尺寸為￠610x16,7~9榀梁和柱截面尺寸分別為￠912x20和￠910x20, 斜撐截面尺寸為￠865x20。3）屋面環梁截面尺寸均為￠560x16。以上所有桿件材質均為Q345C，工程采用同濟大學的3D3S9.0結構設計軟件對看臺罩蓬鋼結構和單元構件進行了整體分析計算,其分析 結果如下：
大跨度屋蓋結構 三維軸側圖
4.1結構振動特性
表一 結構自振周期
可以看出鋼罩蓬結構的前三階振型以整體平動和豎向振動為主，第一振型為橫向平動，周期為0.7968s,說明豎向剛度較大而水平剛度較小，第二振型為整體豎向振動，說明結構的整體性能較好，第三振型為屋蓋彎曲變形振動，彎曲變形振動形式嚴格按照對稱布置，周期為0.6026s,其后頻譜較密集，結構整體性強，局部振型不明顯。表明結構的整體剛度大，剛度和質量分布均勻。
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