建筑结构|宿州体育馆结构设计

1   工程概况

宿州体育馆位于安徽省宿州市唐河路与人民路交叉口,是以承接手球比赛为主,同时也可承接篮球、排球、羽毛球、体操等其他赛事的新建场馆,由主场馆和运营用房两部分组成,这两部分通过永久性结构缝分开。建筑效果图见图1。

图1 整体效果图

主场馆主要包括主赛场区、热身场区和其他相关配套用房,主赛场区拥有6176座席,属于乙类大型体育建筑。主场馆平面尺寸为120m×135m,建筑面积为25238m2,局部地下1层,层高为5.7m;地上3层,首层层高为6.0m,2层层高为3.423~6.000m,地下3层为地上2层顶至屋盖,屋盖周边柱顶标高为10.129~27.126m,屋盖完成面最高点标高为30.2m。主场馆外形南高北低,整体为一个结构单元。结构主要剖面见图2,典型平面布置见图3。

图2 结构剖面图

图3 结构平面布置图

2    结构设计

2.1 地基基础

本工程采用高强预应力混凝土管桩基础。其中,钢筋混凝土剪力墙核心筒采用桩筏基础,框架柱采用独立承台桩基。

2.2下部主体结构

结合建筑布局,充分利用楼梯、电梯及设备管井等竖向通道,考虑楼板大开洞不连续的影响,均匀布置了剪力墙核心筒及部分L形剪力墙,形成有效的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。墙、柱混凝土强度等级均为C50,梁、板为C30。剪力墙厚度为300mm和400mm,支承屋盖框架柱的典型截面为800×1200,600×1000和1200×(2000~1600),其他框架柱典型截面尺寸为550×550和600×800。根据建筑效果需求,轴①,12和轴B的框架柱从6m标高开始采用尺寸逐渐减小的变截面柱。图4为下部主体结构平面布置图,图5为支承屋盖的2层变截面框架柱。

图4 下部主体结构布置图

图5 支承屋盖的变截面框架柱

2.3  大跨屋盖

由于本项目屋盖两方向跨度较为接近,当屋盖横向与框架柱刚接、纵向与框架柱铰接(通过抗震支座支承在三排框架柱柱顶)时可很好地实现双向均匀传力的目标,因此采用了双向正交正放平面桁架。另外,沿框架柱柱顶设置了钢筋混凝土环梁,并在屋面桁架上弦设置了水平支撑,如图6所示。结果表明,屋盖双向传力充分发挥,平面内抗扭刚度显著提高,屋盖整体刚度很好。杆件材料采用Q345,屋面桁架最终用钢量为80kg/m2。

图6 屋盖平面图及剖面图

3    钢结构节点设计

3.1 节点形式

(1)横向桁架与框架柱的刚接连接

本工程通过横向桁架上弦、下弦及腹杆与框架柱销轴连接来实现横向桁架与框架柱的刚接。销轴材质为8.8级螺栓,耳板采用Q345钢,销轴节点见图7。

图7 销轴节点

横向桁架与框架柱刚接,柱顶承受巨大弯矩作用,而因建筑师要求框架柱截面由下到上逐渐变小,为提高柱顶段框架柱的抗弯能力,同时兼顾桁架销轴耳板与框架柱的连接,在柱顶1/3段设置钢骨,如图8所示。

图8 柱顶设置钢骨

(2)纵向桁架与框架柱的铰接连接

纵向桁架通过抗震支座支承在轴B,P,S框架柱柱顶,分析时将柱顶设为铰接。由于轴B~P跨度为98.4m,杆件内部存在较大的温度应力,设计时为释放该温度应力,在轴框架柱柱顶设置可沿纵向滑动的抗震支座,限位±50mm,见图9。

图9 可滑动抗震支座

(3)屋面桁架相贯连接

屋面桁架采用了圆钢管直接相贯焊接的节点形式。桁架杆件共采用了11种规格,最大规格为Φ450×16,同一节点最多交汇10根杆件,主要节点形式为平面K形、双KT形和双T形,见图10。

图10 节点形式

对于平面K形节点,部分节点不满足钢规中相贯节点受压承载力验算要求,设计时采用垫板加强,垫板加强示意见图11。对于双T形腹杆受力较小,容易满足规范要求。对于双KT形,杆件交汇严重,受力复杂,部分节点存在稳定问题,需采取加强措施。常用的桁架加强节点形式有:球节点、外加套管、杆件内部设置加劲肋,见图12。

图11 垫板加强示意图

图12 常用桁架节点示意图

3.2 屋面空间相贯节点

采用ABAQUS软件对相关节点进行受力性能分析。以一双KT形节点为例,对无加劲肋和在主弦杆内部设置加劲肋的节点进行对比分析,图13为设置加劲肋有限元模型。

图13 设置加劲肋有限元模型

无加劲肋时,腹杆与弦杆交汇区域受力复杂,最大应力出现在腹杆与弦杆相贯区域,弦杆存在局部应力集中;当在主弦杆内部设置加劲肋后,最大应力出现在腹杆与加劲肋交接区域,弦杆应力明显减小。图14,15分别为节点设置加劲肋前后在极限荷载作用下变形云图。

图14 无加劲肋稳定验算时变形/m

图15 设置加劲肋后稳定验算时变形/m

综上所述,当在弦杆内部设置合理的加劲肋后,该节点得到加强,刚度和承载力明显提高。跨中弦杆受力较大,腹杆受力较小,稳定问题不明显;而支座及邻近节点,腹杆受力较大,稳定问题突出,需进行稳定验算并采取加强措施;对于支座节点,本工程采用了加肋空心球,同时解决了强度和稳定问题。

更多内容详见2014第20期《建筑结构》杂志文章:《宿州体育馆结构设计》;作者:刘立杰,李俊刚,高鹏飞;单位:北京市建筑设计研究院有限公司。

以上内容由《建筑结构》杂志编辑整理,欢迎分享到朋友圈。未经作者及本刊授权,谢绝官方转载,违者必究。

1   工程概况

宿州体育馆位于安徽省宿州市唐河路与人民路交叉口,是以承接手球比赛为主,同时也可承接篮球、排球、羽毛球、体操等其他赛事的新建场馆,由主场馆和运营用房两部分组成,这两部分通过永久性结构缝分开。建筑效果图见图1。

图1 整体效果图

主场馆主要包括主赛场区、热身场区和其他相关配套用房,主赛场区拥有6176座席,属于乙类大型体育建筑。主场馆平面尺寸为120m×135m,建筑面积为25238m2,局部地下1层,层高为5.7m;地上3层,首层层高为6.0m,2层层高为3.423~6.000m,地下3层为地上2层顶至屋盖,屋盖周边柱顶标高为10.129~27.126m,屋盖完成面最高点标高为30.2m。主场馆外形南高北低,整体为一个结构单元。结构主要剖面见图2,典型平面布置见图3。

图2 结构剖面图

图3 结构平面布置图

2    结构设计

2.1 地基基础

本工程采用高强预应力混凝土管桩基础。其中,钢筋混凝土剪力墙核心筒采用桩筏基础,框架柱采用独立承台桩基。

2.2下部主体结构

结合建筑布局,充分利用楼梯、电梯及设备管井等竖向通道,考虑楼板大开洞不连续的影响,均匀布置了剪力墙核心筒及部分L形剪力墙,形成有效的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。墙、柱混凝土强度等级均为C50,梁、板为C30。剪力墙厚度为300mm和400mm,支承屋盖框架柱的典型截面为800×1200,600×1000和1200×(2000~1600),其他框架柱典型截面尺寸为550×550和600×800。根据建筑效果需求,轴①,12和轴B的框架柱从6m标高开始采用尺寸逐渐减小的变截面柱。图4为下部主体结构平面布置图,图5为支承屋盖的2层变截面框架柱。

图4 下部主体结构布置图

图5 支承屋盖的变截面框架柱

2.3  大跨屋盖

由于本项目屋盖两方向跨度较为接近,当屋盖横向与框架柱刚接、纵向与框架柱铰接(通过抗震支座支承在三排框架柱柱顶)时可很好地实现双向均匀传力的目标,因此采用了双向正交正放平面桁架。另外,沿框架柱柱顶设置了钢筋混凝土环梁,并在屋面桁架上弦设置了水平支撑,如图6所示。结果表明,屋盖双向传力充分发挥,平面内抗扭刚度显著提高,屋盖整体刚度很好。杆件材料采用Q345,屋面桁架最终用钢量为80kg/m2。

图6 屋盖平面图及剖面图

3    钢结构节点设计

3.1 节点形式

(1)横向桁架与框架柱的刚接连接

本工程通过横向桁架上弦、下弦及腹杆与框架柱销轴连接来实现横向桁架与框架柱的刚接。销轴材质为8.8级螺栓,耳板采用Q345钢,销轴节点见图7。

图7 销轴节点

横向桁架与框架柱刚接,柱顶承受巨大弯矩作用,而因建筑师要求框架柱截面由下到上逐渐变小,为提高柱顶段框架柱的抗弯能力,同时兼顾桁架销轴耳板与框架柱的连接,在柱顶1/3段设置钢骨,如图8所示。

图8 柱顶设置钢骨

(2)纵向桁架与框架柱的铰接连接

纵向桁架通过抗震支座支承在轴B,P,S框架柱柱顶,分析时将柱顶设为铰接。由于轴B~P跨度为98.4m,杆件内部存在较大的温度应力,设计时为释放该温度应力,在轴框架柱柱顶设置可沿纵向滑动的抗震支座,限位±50mm,见图9。

图9 可滑动抗震支座

(3)屋面桁架相贯连接

屋面桁架采用了圆钢管直接相贯焊接的节点形式。桁架杆件共采用了11种规格,最大规格为Φ450×16,同一节点最多交汇10根杆件,主要节点形式为平面K形、双KT形和双T形,见图10。

图10 节点形式

对于平面K形节点,部分节点不满足钢规中相贯节点受压承载力验算要求,设计时采用垫板加强,垫板加强示意见图11。对于双T形腹杆受力较小,容易满足规范要求。对于双KT形,杆件交汇严重,受力复杂,部分节点存在稳定问题,需采取加强措施。常用的桁架加强节点形式有:球节点、外加套管、杆件内部设置加劲肋,见图12。

图11 垫板加强示意图

图12 常用桁架节点示意图

3.2 屋面空间相贯节点

采用ABAQUS软件对相关节点进行受力性能分析。以一双KT形节点为例,对无加劲肋和在主弦杆内部设置加劲肋的节点进行对比分析,图13为设置加劲肋有限元模型。

图13 设置加劲肋有限元模型

无加劲肋时,腹杆与弦杆交汇区域受力复杂,最大应力出现在腹杆与弦杆相贯区域,弦杆存在局部应力集中;当在主弦杆内部设置加劲肋后,最大应力出现在腹杆与加劲肋交接区域,弦杆应力明显减小。图14,15分别为节点设置加劲肋前后在极限荷载作用下变形云图。

图14 无加劲肋稳定验算时变形/m

图15 设置加劲肋后稳定验算时变形/m

综上所述,当在弦杆内部设置合理的加劲肋后,该节点得到加强,刚度和承载力明显提高。跨中弦杆受力较大,腹杆受力较小,稳定问题不明显;而支座及邻近节点,腹杆受力较大,稳定问题突出,需进行稳定验算并采取加强措施;对于支座节点,本工程采用了加肋空心球,同时解决了强度和稳定问题。

更多内容详见2014第20期《建筑结构》杂志文章:《宿州体育馆结构设计》;作者:刘立杰,李俊刚,高鹏飞;单位:北京市建筑设计研究院有限公司。

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