廣州市花都東風體育館鋼結構設計
作者：劉雪兵 區彤
時間：2013-09-29 13:47:12 [收藏]
廣州市花都東風體育館采用肋環型穹頂結構體系，由徑向空腹剛架與環向桁架組成球面網殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在三角桁架外側的上下弦桿中布置預應力拉索以平衡上部屋面結構向外的水平力
關鍵詞：廣州市花都東風體育館
摘 要：廣州市花都東風體育館采用肋環型穹頂結構體系，由徑向空腹剛架與環向桁架組成球面網殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在三角桁架外側的上下弦桿中布置預應力拉索以平衡上部屋面結構向外的水平力，減輕下部支撐結構的負擔；受拉圈梁支承于環向布置的人字柱；通廊部分的主要結構為Y型環向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。計算分析表明：環向預應力的布置使屋蓋部分結構基本處于結構自平衡狀態，結構自重得以減輕，產生了良好的經濟效果。
關鍵詞：大跨度鋼結構；環向預應力；萬向銷軸鉸支座
1 工程概況
廣州市花都區東風體育館工程建設場地位于花都汽車城風神大道的南側，康體公園（飛鵝嶺）的北側。本工程主要包括比賽館和訓練館(不設地下室)。比賽館地上四層，固定席位7780個；訓練館為地上二層（二層樓面結構標高5.450m）。建筑基底面積21685㎡ ，總建筑面積37516㎡，工程總投資約4.1億。建成后還將與其南側計劃興建的康體公園融為一體，亞運會后將成為花都中心城區西部文化體育中心，同時也可以成為汽車城工業產品的展覽展銷平臺，充分發揮該場館的賽后作用。
兩館下部結構為鋼筋混凝土框架結構，由框架柱支承鋼結構屋蓋。本工程總用鋼量約2800t，其中比賽館約2200t，屋蓋主體結構用鋼量87kg/㎡；訓練館約600t，屋蓋主體結構用鋼量75kg/㎡。
本文主要介紹比賽館的鋼結構設計情況。
圖1 花都東風體育館效果圖
圖2 花都東風體育館室內實景圖
2 結構選型及布置
花都東風體育館比賽館平面為圓形，結構雙軸對稱。由兩圈鋼管柱支承，分別分布在直徑為97.2m和116m的圓上，屋蓋高為33.1m。矢高約27m，內圈矢跨比為1/8.8。屋蓋采用肋環型穹頂結構體系，由徑向變高度、變厚度空腹剛架與環向桁架組成球面網殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在外側的上下弦桿中布置預應力拉索以平衡上部屋面結構產生的水平力，減輕下部支撐結構的負擔；底部受拉圈梁支承于環向布置的V字柱上，柱頂節點采用鑄鋼件，柱腳采用銷軸支座，釋放徑向轉角；觀眾休息大廳主要結構為Y型環向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。V字柱柱腳支撐于11.690m的混凝土圈梁上，Y型環向布置的人字柱支撐于下部5.450m混凝土平臺上。
訓練館平面為圓形，結構總高度17.6m，跨度56m，矢高11.5m，矢跨比1/5。因為訓練館內吊掛荷載無特殊要求且跨度未超60m，因此訓練館屋蓋采用由徑向箱型鋼梁、環向箱型鋼梁和支撐組成單層空間球面網殼結構。柱腳采用銷軸連接，徑向釋放轉角。
比賽館具體結構布置如下圖3
圖3 花都東風體育館鋼結構軸側圖
圖4 廣州市花都東風體育館鋼結構主桁架剖面圖
圖5 訓練館基本受力單元
圖6 人字柱實景圖
3 結構主要設計參數
3.1 結構設計等級
建筑結構的安全等級：一級;結構重要性系數：γ0＝1.1。
建筑抗震設防類別：乙類，設計地震分組為第一組。
建筑結構構件耐火等級：二級.
3.2 結構設計年限
結構設計基準期為50年，結構設計使用年限為50年。
3.3 結構設計荷載或作用
抗震設防基本烈度為6度，需根據擬建場地安評報告取用相應的地震作用。
基本風壓：50年重現期的基本風壓值0.50kN/m2，用于正常使用極限狀態驗算；100年重現期的基本風壓值0.60kN/m2，用于承載能力極限狀態驗算；地面粗糙度為B類；風荷載作用取值依據風洞試驗。計算中取其中8個風向角作用下風荷載進行計算。
屋面附加恒載：0.65kN/㎡；
馬道荷載：包括馬道自重、強電燈具等；
屋面活荷載：0.5kN/m2；
對室內超長的混凝土結構取整體溫差±15°;
對鋼結構屋蓋取整體設計溫差溫差：±30°；同時考慮局部溫差±5°進行溫度作用分析。
3.4 結構分析軟件及用途：
SATWE\下部結構的混凝土部分分析計算及配筋;
MIDAS\上部鋼結構屋蓋的計算分析、整體模型的計算分析、模態分析、屈曲分析、非線性分析、時程分析等;
ANSYS\節點計算分析、整體穩定性分析.
4 分析結果
4.1 模態分析
結構動力分析是衡量結構質量與剛度布置是否合理的重要指標。通過對整個結構進行自振動分析可以看出：1) 前幾階振型均為豎向振型且自振頻率密集；2) 結構振型以中間大跨穹頂的豎向振動為主，說明豎向結構剛度較弱；這些特點與其它大跨空間結構非常一致。
圖7 廣州市花都東風體育館模態分析結果
4.2 非線性屈曲分析
圖8 第一階屈曲模態
《網殼結構技術規程》4.3.1規定結構厚度較薄的雙層網殼應做穩定性計算。結構厚度較薄的雙層網殼對缺陷亦較敏感，故應進行非線性全過程分析。考慮初始缺陷的穩定分析：根據特征值屈曲分析結果，取第一階模態作為初始缺陷的1/300進行幾何非線性荷載-位移的全過程分析。第一階屈曲荷載系數為7.5x0.85=6.375滿足網殼規范中穩定系數大于5得要求。
4.3 多遇地震作用下彈性時程分析
選用下列兩條實際場地波和一條人工波采用一維輸入（X，Y向分別作用）：
SH1 ELCENTRO，加速度峰值：341.7cm/s2；
SH2 蘭州波1， 加速度峰值：196.2341.7cm/s2；
SH3 場地地震安全性評價報告提供的人工波，加速度峰值：27.75341.7cm/s2；
選取地震波的最大加速度值調整為多遇地震的最大值27.75gal，進行結構的彈性時程分析。地震作用內力見下表1。
表1 地震作用內力
通過對比反應譜分析和時程分析結果發現，總體來說：反應譜分析所得底部剪力小；整體位移：X向地震作用時，時程分析結構位移較反應譜分析略大；Y向地震作用時，時程分析和反應譜分析所的結構位移接近；補充對結構進行時程分析設計計算，各地震波采用三維輸入:SH(Y向)+0.85SH(X向)+0.65SH(Z向)。
圖9 SH1（X向作用）－5235節點位移時程曲線
圖10 SH1（Y向作用）－7258節點位移時程曲線
4.4 中震彈性計算分析
中震彈性采用反應譜法進行計算分析。反應譜法采用在定義相應的小震反應譜基礎上輸入放大系數3.72（即0.05×3.72＝0.186），使地震影響系數最大值為0.186；
經過計算分析，整體結構在中震反應譜和中震時程的作用下，結構包絡位移為86mm，屋面構件包絡應力比0.84，大門立柱包絡應力比0.3；結構仍處于彈性工作狀態下，結構抗震性能良好。
5 節點設計
5.1萬向銷軸支座節點
比賽館外圈萬向鉸支座節點。該節點由銷軸和關節軸承組合而成。關節軸承主要應用于機械設計制造領域，目前在建筑工程領域的應用還處于起步階段，無相關的規范可以參照。該支座節點的設計應確保結構在荷載作用下產生的轉角進行完全釋放；并能夠傳遞軸力和剪力。設計中對這個節點考慮一定的安全儲備，并且同時滿足建筑結構規范和機械設計制造方面的規范規定；然后采用節點足尺模型試驗進行驗證。通過節點試驗和工程實踐，證明該節點完全滿足設計要求。
圖11 外圈萬向支座節點詳圖
5.2 內圈銷軸節點
內圈V字型柱腳設計，本工程屋蓋結構比較規則，內圈鋼柱支座力以軸力為主，剪力和彎矩均較小。節點設計中采用3夾2銷軸節點。徑向彎矩完全釋放，環向彎矩由節點板承擔；為防止銷軸的脆性破壞，控制銷軸處于低應力狀態下工作。
圖12 廣州市花都東風體育館內圈銷軸節點詳圖
5.3 預應力張拉節點
張拉節點的設計關系到環向管內預應力實施的成敗，是本工程的關鍵節點之一。本項目有效預應力值分別為：3350kn(下弦管內)和1565kn(上弦外側管內)。在鋼管張拉節點處的作用力較大且集中同時需在原鋼管上開孔以方便預應力的施加。因此合理的節點設計非常重要。該節點的設計中采用在弦桿外包鋼管的方式加強此節點并在張拉端用加勁板保證節點板整體穩定。
圖13 預應力張拉節點詳圖
圖14 預應力張拉節點實體圖
5.4 鑄鋼節點
比賽館中多桿件相交、桿件相交夾角太小、正常加工困難的節點采用鑄鋼件，鑄件材料均采用《鑄鋼節點應有技術規程》CECS235:2008中可焊鑄材ZG275-485H，屈服強度為275MPA。采用美國通用有限元分析軟件ANSYS9.0作計算分析，采用solid92單元模擬桿件，一根桿件兩端固定，其余桿件加載。經計算分析，安全儲備均在2倍以上。設計荷載作用下的有限元分析結果如圖15、圖16。
圖15 柱頂鑄鋼節點應力云圖
圖16 廣州市花都東風體育館中央壓力環鑄鋼節點應力云圖
6、結語
本文介紹了2010年廣州亞運的花都東風體育館這一工程實例，對于結構特點、體系分析、計算結果及構件連接處的節點有限元分析做了描述和總結：
1、根據建筑外形特點，屋面鋼結構采用肋環型穹頂結構體系，同時在受拉圈梁弦桿管內施加預應力。計算分析表明：結構受力簡單明確，內圈屋蓋鋼結構基本處于結構自平衡狀態下，結構整體工作性能良好。
2、環行管內預應力大跨度鋼結構體系的采用不僅增加梁結構的整體剛度，提高了安全性能，而且減少了結構用鋼量，降低了工程造價，產生了良好的經濟效益。
3、萬向銷軸鉸支座的運用，完全與計算假定一致。同時滿足建筑美觀要求。
4、比賽館用鋼量87kg/㎡、訓練館用鋼量62kg/㎡，此用鋼量包含屋面用鋼量和鋼柱用鋼量，是同類鋼結構場館中用鋼量最低的項目。
本工程的經驗可為此類工程設計提供一些借鑒和參考。
參考文獻
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