
李建偉,等:揚州體育公園游泳跳水館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計
揚州體育公園游泳跳水館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計
李建偉 張進軍 趙 勇 余衛(wèi)江
(中建國際(深圳)設(shè)計顧問有限公司,廣東深圳518048)
摘 要:揚州體育公園游泳跳水館是雙向鋼桁架、索桁架、單層網(wǎng)殼、膜結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)雜交的工程。主要介紹該
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題,包括結(jié)構(gòu)構(gòu)成、荷載取值、屈曲分析、索桁架設(shè)計、總裝分析、施工模擬及結(jié)
構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計等。
關(guān)鍵詞:索桁架;單層網(wǎng)殼;施工模擬;總裝分析
ROoF STRUCTURAL DESIGN oF NATATORIUM IN YANGZHoU SPORTS PARK
Li Jianwei Zhang dinjun Zhao Yong Yu Weijiang
(China Construction(Shenzhen)Design International,Shenzhen 518048,China)
ABSTRACT:The natatorium in Yangzhou Sports Park is a hybrid structura1 project having various structura1
patterns involving the two—way steel trusses,cable trusses,single layer net shell,membrane structure,etc.This
article mainly introduces some key technical problems of the structural design of the project,including structural
constitution,value of load,analysis of buckling,design of cable truss,analysis of assembly,simulation of
construction,and structura1 design of significant nodes,etc.
KEY WORDS:cable truss;single layer net shell;simulation of construction;analysis of assembly
1概況
的平面外穩(wěn)定。南北向桁架上弦采用方鋼管,主要
揚州體育公園游泳跳水館位于揚州市文昌西路
截面為口350X 350×16X16、口300×300×12×12、
北側(cè)、北外環(huán)路東南側(cè),坐落在揚州體育公園內(nèi)。建 口200X 200×8X 8;南北向桁架下弦、東西向桁架弦
筑面積約15 500 m ,游泳館建成后可容納1 000位 桿及所有腹桿采用圓鋼管,主要截面為 351 X 2O、
觀眾。整個項目地形狹長,處于與文昌西路高度差
,/,203×10、 1O8×5。圖2為屋蓋結(jié)構(gòu)三維示意。
為15 m的楔形坡地上,設(shè)計充分利用原有的地形
地貌特點,將整個建筑嵌入坡地之中。頂部采用透
光膜結(jié)構(gòu)設(shè)計,建筑效果見圖1。
圖2屋蓋結(jié)構(gòu)三維不意
圖1建筑效果
左側(cè)“天窗”東西向長約57.9 rn,南北向長約
2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成
32.9 ITI,結(jié)構(gòu)體系為單層網(wǎng)殼支撐膜結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼高
揚州體育公園游泳跳水館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋東西向長
度8 m,矢跨比0.24,網(wǎng)格間距3~4.9 121;右側(cè)“天
135.5 m,南北向?qū)挘罚保?/span> m,最大懸挑長度15.4 m, 窗”東西向長約55.4 m,南北向長約30.4 m,結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)高9~19 in。整個屋蓋支承在下部混凝土柱或 體系為索桁架支撐膜結(jié)構(gòu)。圖3為左、右側(cè)桁架剖 墻上,下部混凝土結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu),柱網(wǎng)間距 面。 9 m。主屋蓋采用雙向正交平面桁架結(jié)構(gòu)。主屋蓋 中部設(shè)2個膜結(jié)構(gòu)的“天窗”,主桁架按柱網(wǎng)布置,問 第一作者:李建偉,男,1973年出生,高級工程師。 Email:li.jianwei@ccdi.coin.cn 距9 In。在主桁架之間布置次桁架,以保證主桁架 收稿日期:2011—07—12 Steel Construction.2011(12),Vo1.26,No.153 33 工程設(shè)計 的連接為三向固定鉸支座。SAP 2000(Version 11.0)中的Cable單元是懸鏈線單元,對結(jié)構(gòu)進行 P一△大變形分析時,可以較為精確地模擬索的非線 性特性,故本文采用SAP 2000中的Cable單元來模 擬索。 通過計算可知,索桁架的頻率分布密集,前8階 b 振型均為索桁架豎向振動,第9階為主體鋼結(jié)構(gòu)振 型,周期為0.39 S,腹部反對稱豎向振動。第15階 a一左側(cè).b一右側(cè) l一左側(cè)單層網(wǎng)殼;2一抗震球形支座; 3一右側(cè)索桁架;4一混凝土墻 圖3左、右側(cè)主桁架剖面示意 振型為主體鋼結(jié)構(gòu)第2階振型,屋蓋整體對稱上下 振動,周期為0.37 S。前100階振型中未出現(xiàn)主體 鋼結(jié)構(gòu)的局部振動模態(tài),可見整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛 度分布較均勻,沒有出現(xiàn)明顯的薄弱部位。圖4為 主體鋼結(jié)構(gòu)第9、第15階振型。 3設(shè)計標準及荷載 建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級;設(shè)計使用年限5O 年;結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)7。一1.0;建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類 別為丙類;基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級;混凝土結(jié)構(gòu)框架抗 震等級為二級。 鋼結(jié)構(gòu)桁架在永久和可變荷載標準值下?lián)隙瓤? 制值為L/400(懸挑端L/200);屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)豎 向自振頻率控制為不小于2.5 Hz;桿件最大組合設(shè) 計應(yīng)力比不大于0.95;受壓和壓彎桿件長細比小于 等于150;受拉和拉彎桿件長細比不大于300_1]。 3.1重力荷載 根據(jù)建筑功能不同,屋面重力荷載分為3個區(qū) 域,一個區(qū)域為種植屋面,上覆450 mm厚營養(yǎng)土, 恒載9.0 kN/m。,活載3.0 kN/m ;一個區(qū)域為普通 上人屋面,恒載5.0 kN/m ,活載3 0 kN/m。;另一 個區(qū)域為膜屋面,不上人,恒載0.2 kN/m ,活載 0.5 kN/m。。馬道恒載按4 kN/m 考慮,活載按 a一第9階;b一第15階 圖4主體鋼結(jié)構(gòu) 2 kN/m 考慮。膜材張拉力按2 kN/m作為恒載水 平作用于周邊鋼桁架。 3.2地震作用 圖5為屋面在最不利荷載工況標準組合(恒載+ 右半跨活載)下屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)的豎向位移,其中位 移最大值為66.7 mm,可滿足控制要求。由計算可 知,所有構(gòu)件在各種組合工況下的應(yīng)力比均控制在 0.9以下。 揚州地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,地震基本加速 度為0.15g,場地土類別為Ⅱ類,特征周期0.35 S。 3.3 雪荷載 鋼結(jié)構(gòu)屋面雪荷載取0.4 kN/m。(100年一 遇)。“天窗”周邊考慮雪堆積,按2 kN/m考慮。 3.4風荷載 風荷載按荷載規(guī)范取值。基本風壓0.35 kN/rI12 (100年一遇),地面粗糙度B類,風振系數(shù)取1.5。 - 88 -64 -40 -16 16 4結(jié)構(gòu)計算分析 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用SAP 2000(Version 11.O)計 圖5恒載+右半跨活載下的豎向位移 mm 李建偉,等:揚州體育公園游泳跳水館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 線性屈曲分析 限雪荷載系數(shù)為22.3。 以索桁架在自平衡初始狀態(tài)的剛度為起始剛 度,用SAP 2000軟件進行Buckling模塊分析,得到 以下結(jié)果:前12階模態(tài)均為索桁架屈曲模態(tài),第13 圈 階模態(tài)為主體鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài),線性屈曲系數(shù)為 糖 9.97,模態(tài)為主桁架局部平面外振動。 4.2非線性屈曲分析 采用ANSYS對結(jié)構(gòu)進行非線性屈曲分析。剛 性構(gòu)件方鋼管、圓鋼管用Beam 44單元模擬,桁架 圖7第2種加載模式F最大位移點的 腹桿釋放節(jié)點旋轉(zhuǎn)自由度;索用Link 10單元模擬, 荷載一位移關(guān)系曲線 索結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)拉力用初應(yīng)變法,通過找形荷載步,使結(jié) 構(gòu)達到自平衡狀態(tài)。混凝土墻體用Shell 63單元模 5索桁架設(shè)計 擬。考慮材料為彈性,結(jié)構(gòu)為幾何非線性,用New— 索桁架東西向長約55.4 m,南北向?qū)挘常埃?m, ton—Raphson方法對結(jié)構(gòu)進行迭代求解 ]。 上覆PTFE薄膜。索桁架采用魚腹形,順鋼桁架布 對主體鋼結(jié)構(gòu)和單層網(wǎng)殼按照以下兩種模式加 置。根據(jù)受力特性,短向索桁架為主受力索,長向設(shè) 載,對結(jié)構(gòu)進行非線性分析,求出單層網(wǎng)殼非線性因 置構(gòu)造索,將各榀索桁架連接起來,確保每榀受力索 子。第1種加載模式即結(jié)構(gòu)整體按照“1.0恒載+ 的平面外穩(wěn)定,提高整體結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性。索體 1.0活載”比例加載;第2種加載模式即在1.0恒載 采用預(yù)應(yīng)力平行鋼絲索,抗拉強度1 670 MPa,彈性 加載完成后,按照雪荷載工況進行比例加載。 模量1.90×10 MPa。主受力索為55根(}5的鋼絲 圖6為第1種加載模式下最大位移點的荷載一 束,截面積1 080 mm ,穩(wěn)定索為7根 5的鋼絲束, 位移關(guān)系曲線。 截面積137 mm2[ 。 索桁架的剛度由預(yù)應(yīng)力提供,在沒有預(yù)應(yīng)力的 情況下,索桁架不能成型。索桁架的外型和內(nèi)力極 為相關(guān)。根據(jù)結(jié)構(gòu)初始幾何形狀確定形成一定剛度 圈 踅 的初始預(yù)應(yīng)力是首要解決的問題。本工程按照建筑 形態(tài),經(jīng)多次試算,形成如圖8所示索桁架三維圖, 圖9為典型受力索立面。索拉力對結(jié)構(gòu)的剛度、承 位移/rnm 載力等起決定性的作用。索拉力同時與外荷載及邊 一一階模態(tài)缺陷;—一二階模態(tài)缺陷;— 三階模態(tài)缺陷 界剛度有關(guān),具有非線性特性,所以索結(jié)構(gòu)分析設(shè)計 圖6第1種加載模式下最大位移點的 中對索力控制非常重要_4]。 荷載一位移關(guān)系曲線 從計算結(jié)果來看,3種缺陷對結(jié)構(gòu)極限承載力 影響很小,結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)網(wǎng)殼的整體失穩(wěn),而是在 主體鋼結(jié)構(gòu)懸挑較大端和單層網(wǎng)殼跡線較長的構(gòu)件 處出現(xiàn)了最大位移。結(jié)構(gòu)為主體鋼結(jié)構(gòu)受彎機制的 破壞形態(tài)而非一般單層網(wǎng)殼軸向力為主的破壞形 態(tài),所以荷載~位移曲線呈現(xiàn)缺陷不敏感的特性。 圖8索桁架三維示意 考慮初始缺陷后結(jié)構(gòu)的非線性屈曲系數(shù)為9.6>5, 滿足規(guī)范要求。 圖7為第2種加載模式下最大位移點的荷載一 位移關(guān)系曲線。單層網(wǎng)殼極限雪荷載的荷載一位移 曲線呈現(xiàn)極值型失穩(wěn)形態(tài)。由于主體鋼結(jié)構(gòu)承受雪 荷載比較小,此時仍未達到極限承載力,結(jié)構(gòu)極限狀 圖9典型受力索立面示意 態(tài)為單層網(wǎng)殼整體失穩(wěn)。從圖中可知,單層網(wǎng)殼極 采用SAP 2000(Version 11.0)及ANSYS兩 工程設(shè)計 種軟件進行計算。利用SAP 2000中的Cable單元 來模擬索。ANSYS模型中索采用非線性單元Link 10模擬。計算結(jié)果表明,兩種軟件結(jié)果相近。 對短向索桁架下弦預(yù)設(shè)700 kN拉力,上弦預(yù) 設(shè)10 kN拉力。由計算可知,由于結(jié)構(gòu)整體變形及 索桁架邊界剛度的有限性,受力索下弦發(fā)生了預(yù)應(yīng) 力損失,并通過結(jié)構(gòu)的自平衡將一部分預(yù)應(yīng)力值傳 到受力索上弦,在此荷載步結(jié)束時,受力索上下弦索 力變化均處在直線段,說明索未出現(xiàn)松弛。模態(tài)分 析時,采用附加恒載作用時的結(jié)構(gòu)剛度;質(zhì)量按 圖11整體結(jié)構(gòu)三維計算模型(含面單兀) 上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計按單獨鋼結(jié)構(gòu)和總裝雙控,總 裝后對上部鋼結(jié)構(gòu)進行校核,結(jié)果所有桿件均滿足 規(guī)范要求。與單獨取鋼結(jié)構(gòu)模型相比,總裝模型鋼 結(jié)構(gòu)屋蓋位移有所增大,但均滿足位移控制要求。 混凝土收縮和徐變是混凝土的固有特性,會產(chǎn) 生結(jié)構(gòu)非荷載變形,為考慮收縮和徐變的影響,在總 1.0恒+0.5滿跨均布活荷載換算。從索桁架前 100階振型周期可以看出:索桁架振型密集,鋼屋蓋 前8階振型均為索桁架振動,第1振型自振周期 0.51 S,為豎向振動(圖10),說明索桁架具有足夠剛 度。在“恒載+活載”標準荷載組合作用下,索桁架 最大位移20 mm。在“1.35恒載+0.98活載”組合作 用下最大索拉力493 kN,應(yīng)力456 MPa。 裝模型中采用將下部混凝土剛度退化5O 來近似 模擬。根據(jù)計算可知,混凝土剛度退化后,振型參與 質(zhì)量略有增大,鋼結(jié)構(gòu)屋蓋豎向最大位移有所增大。 7施工模擬分析 施工模擬計算分析是大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個十分 重要的步驟。通過基本符合施工過程的模擬分析, 有助于把握施工全過程直至最后進入正常使用時結(jié) 構(gòu)的應(yīng)力水平、變形水平,有利于避免因施工措施不 圖10第1階索桁架振型 當造成的結(jié)構(gòu)損傷,也有利于施工全過程的結(jié)構(gòu)質(zhì) 量檢測控制。 本工程共分為鋼結(jié)構(gòu)桁架、左側(cè)“天窗”單層網(wǎng) 6總裝分析 揚州體育公園游泳跳水館為上部大跨空間鋼結(jié) 構(gòu)支承于下部鋼筋混凝土柱的結(jié)構(gòu),上、下部結(jié)構(gòu) 李建偉,等:揚州體育公園游泳跳水館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計 制在60 mm以內(nèi),保證拉索張緊的同時,避免鋼桁 向地震+0.5豎向地震-4-O.28風載)作用下,計算得到的 架內(nèi)產(chǎn)生過大應(yīng)力。當所有恒荷載完成后,索桁架 反拱值控制在45 mm以內(nèi)。 2)控制索桁架豎桿水平位移,當所有恒荷載完 成后,豎桿水平位移不得大于L/300。 Von Mises應(yīng)力云圖(最大應(yīng)力為108.6 MPa)。圖13為 索桁架與主體鋼結(jié)構(gòu)相交處典型節(jié)點最不利荷載組合 (1.2恒載4-1.4活載)作用下,計算得到的Von M ̄ses應(yīng) 力云圖(最大應(yīng)力153.1 MPa)。計算結(jié)果表明,上述節(jié) 3)施工過程中的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)形狀控制,控制 點應(yīng)力遠未達到屈服應(yīng)力,滿足設(shè)計要求。 好結(jié)構(gòu)變形,即可保證索桁架有足夠的剛度,整體變 形較小。施工模擬計算按此目標,確定索的預(yù)拉力。 張拉索時,需嚴格按照張拉力進行控制,張拉的整個 施工過程中,尤其是拉索張拉過程中,需要監(jiān)測拉索 中的應(yīng)力和應(yīng)變、各層結(jié)構(gòu)控制點的豎向變形。研 究監(jiān)測結(jié)果可對拉索設(shè)計張拉力進行適當調(diào)整_5]。 8 節(jié)點分析 注:圖注同圖12。 揚州體育公園游泳跳水館單層網(wǎng)殼、索桁架與 主體鋼結(jié)構(gòu)相交處受力復(fù)雜,桿件匯交多,設(shè)計采用 鑄鋼節(jié)點,共計134個。鑄鋼件材料牌號采用 6l 9 圖13典型節(jié)點應(yīng)力云圖(1.2恒載+1.4活載)MPa “““ 5¨ 52O6l5 冒研 n阿盯目目口珂I 椰 9 結(jié) 語 G20Mn5N,屈服強度300 MPa。采用ABAQUS 揚州體育公園游泳跳水館是雙向鋼桁架、索桁 架、單層網(wǎng)殼、膜結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)雜交的工程,受力 6.5.1軟件對鑄鋼節(jié)點進行彈塑性極限承載力分 析。圖12為單層網(wǎng)殼與主體鋼結(jié)構(gòu)相交處典型節(jié) 點在最不利荷載組合(1.2恒載+0.6活載+1.3Y +108 復(fù)雜。本工程對結(jié)構(gòu)構(gòu)成、荷載取值、屈曲分析、索 桁架設(shè)計、總裝分析、施工模擬及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點的設(shè) 一.6 注:圖中1,2,3代表節(jié)點局部坐標。 圖12典型節(jié)點應(yīng)力云圖(1_2恒載+0.6活載+ 1.3Y向地震+0.5豎向地震+0.28風載) MPa 計所做的研究,可供其他同類工程參考。工程已于 2011年3月通過竣工驗收。 參考文獻 [1]GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[s]. 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