逯 曉 強(qiáng)

1 工程概況及網(wǎng)架選型

本文選用山西省某體育館作為分析模型，設(shè)防烈度為8度，地震加速度為0.2g。該館長(zhǎng)86.4 m，寬69.9 m。網(wǎng)架支座底標(biāo)高為17 m，網(wǎng)架頂標(biāo)高為26.45 m，X與Y向柱距均為4.1 m～8.5 m。由于建筑專業(yè)對(duì)體育館大空間的要求，同時(shí)該體育館作為地標(biāo)建筑，該工程屋頂采用了沿長(zhǎng)跨方向波浪形網(wǎng)殼，該館的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都展現(xiàn)了其獨(dú)特的風(fēng)格。

為保證下部混凝土結(jié)構(gòu)整體剛度，本工程中在體育館周圈和內(nèi)部設(shè)混凝土框架柱，在框架柱頂設(shè)置混凝土環(huán)梁。體育館周圍網(wǎng)架支撐處設(shè)型鋼柱，為了增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度，南北看臺(tái)兩側(cè)各設(shè)置300 mm厚剪力墻。

該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用雙層正放三角錐的結(jié)構(gòu)形式，且在兩個(gè)方向均采用懸挑形式，使受力更為合理，且能滿足建筑專業(yè)的外形要求，而網(wǎng)架重力荷載小、造價(jià)便宜、剛度大、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)也能得到體現(xiàn)，見(jiàn)圖1。

2 計(jì)算模型的建立

傳統(tǒng)體育館設(shè)計(jì)常采用PKPM建立混凝土結(jié)構(gòu)模型，用3D3S建立網(wǎng)架模型，分別計(jì)算，再將網(wǎng)架支座軸力作為節(jié)點(diǎn)荷載代入混凝土模型中計(jì)算。

混凝土結(jié)構(gòu)屋面采用虛梁結(jié)合厚度為0的樓板進(jìn)行分析，將上部網(wǎng)架進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅認(rèn)為單純的荷載傳遞，忽略了網(wǎng)架的整體剛度，實(shí)際上網(wǎng)架平面內(nèi)剛度較大，作為網(wǎng)架的支座生根點(diǎn)，框架柱的平面外長(zhǎng)度較長(zhǎng)，剛度較小，柱與網(wǎng)架相互之間影響是顯著存在的，結(jié)構(gòu)總體剛度為上剛下弱，框架柱難以有效的提供穩(wěn)定支撐，對(duì)平面外的作用力(地震、風(fēng)荷載、溫度荷載)，框柱能起到的作用很有限，單純的網(wǎng)架簡(jiǎn)化導(dǎo)致柱配筋偏小，整體位移比計(jì)算不真實(shí)。

而上部模型中網(wǎng)架采用剛性支座計(jì)算，與實(shí)際不符，網(wǎng)架模型中僅能模擬鋼構(gòu)件的重力荷載下的內(nèi)力，而無(wú)法模擬支座位移以及溫度效應(yīng)下的應(yīng)力。上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大，整體側(cè)向剛度大，水平地震作用下在支撐柱底部產(chǎn)生較大的彎矩；同時(shí)由于下部大空間的使用要求，支撐柱常具有較大的間距且不宜設(shè)置過(guò)多的柱間支撐，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成為下柔上剛體系，不利于抗震設(shè)防[1]。

本文采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架整體組合計(jì)算的模型，并結(jié)合局部計(jì)算模型的結(jié)果，采用包絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱位置進(jìn)行了加強(qiáng)，從計(jì)算和構(gòu)造兩方面進(jìn)行考慮。采用型鋼混凝土柱，能加大柱的剛度，柱中鋼骨又能直接與網(wǎng)架支座進(jìn)行焊接連接，見(jiàn)圖2。

3 支座類型

本工程采用周邊支撐網(wǎng)架，特點(diǎn)是受力平均，傳力路徑簡(jiǎn)單。受力情況類似于框梁或整體式無(wú)梁樓板，為了使網(wǎng)架受力均勻，應(yīng)參考框架梁或者無(wú)梁樓板的受力，網(wǎng)架設(shè)計(jì)成懸挑結(jié)構(gòu)，使跨中正彎矩和撓度減少，滿足了建筑專業(yè)的波浪形體要求，節(jié)約了造價(jià)。

模型中工況以地震效應(yīng)為主，屋面網(wǎng)架由于跨度較大，溫度作用也較為明顯，需要適當(dāng)釋放溫度應(yīng)力。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)，在均勻溫度場(chǎng)作用下，由于桿件不能自由脹縮，會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。網(wǎng)架的溫度應(yīng)力主要由支承結(jié)構(gòu)阻礙網(wǎng)架溫差變形而產(chǎn)生。對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)影響很大。所以支座必須具有釋放溫度應(yīng)力的能力[2]。

在選用支座時(shí)，人們考慮的是溫度效應(yīng)或恒活荷載，對(duì)支座的抗震性能考慮較小，在進(jìn)行建模分析時(shí)也沒(méi)有引入支座的隔震效果，網(wǎng)格隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的很少。而在本工程中采用的鉛芯橡膠支座把某些網(wǎng)架生根位置設(shè)計(jì)成隔震支座，可以在地震時(shí)，通過(guò)鉛芯橡膠支座本身的橡膠變形減輕與消耗地震力，達(dá)到保護(hù)主體網(wǎng)架的作用。地震后，隔震支座可以更換或者檢修。同時(shí)隔震支座可以限制支座的位移量在一定范圍內(nèi)，既能產(chǎn)生滑動(dòng)，又有限位裝置，保證結(jié)構(gòu)的安全[3]。

本文采用鉛芯橡膠支座與抗震球支座結(jié)合的方式支撐網(wǎng)架，支撐類型為周邊支撐。在保證整體結(jié)構(gòu)超靜定約束的情況下，適當(dāng)釋放部分支座約束，在若干部位采用鉛芯橡膠支座作為滑動(dòng)支座，其他部位采用抗震球支座作為鉸支座，將溫度應(yīng)力較大部位應(yīng)力釋放。

4 工程結(jié)果對(duì)比

采用盈建科軟件共建立了2種模型進(jìn)行計(jì)算分析:模型A為混凝土主體結(jié)構(gòu)單獨(dú)計(jì)算模型，模型B鋼屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的組合模型。根據(jù)對(duì)比分析可得，組合計(jì)算的模型其自振周期相對(duì)于單獨(dú)混凝土框架結(jié)構(gòu)的周期明顯減小，說(shuō)明網(wǎng)架屋蓋起到了很大的剛度作用，對(duì)柱頂是有效的約束。單獨(dú)混凝土框架柱頂為懸臂柱，虛梁與板很難對(duì)框架柱頂產(chǎn)生有效的約束，而網(wǎng)架平面內(nèi)剛度較大，對(duì)約束框柱的平面外位移起到了較大的作用。且組合結(jié)構(gòu)的3～9振型周期均較小，進(jìn)而有效地避開(kāi)了場(chǎng)地的特征周期。在1,2振型下兩者差異并不大，說(shuō)明主要周期還是與鋼筋混凝土主體部分有關(guān)，屋頂網(wǎng)架能有效的約束柱頂?shù)呐まD(zhuǎn)變形，提高了抗扭剛度，后排周期衰減較快，保證了主要周期以兩個(gè)方向平動(dòng)為主，見(jiàn)表1。

表1 模型A與模型B的自振周期對(duì)比

根據(jù)對(duì)比分析可得，兩個(gè)模型的最大剪力樓層均在首層，說(shuō)明整體剛度自下而上線性變小，符合規(guī)范要求。組合計(jì)算的模型

其Y向地震剪力相對(duì)于單獨(dú)混凝土框架結(jié)構(gòu)的剪力明顯減小，地震效應(yīng)相應(yīng)減小，在模型B具有較大剛度的基礎(chǔ)上，地震剪力響應(yīng)反而更小，說(shuō)明模型布置較為合理，見(jiàn)表2。

表2 模型A與模型B的樓層剪力對(duì)比 kN

對(duì)比分析可看出，組合結(jié)構(gòu)整體位移量均小于單獨(dú)框架。網(wǎng)架支座對(duì)于位移很敏感，局部支座產(chǎn)生的位移量會(huì)對(duì)上部支座造成不均勻沉降，對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生不利的影響。由于本模型為大開(kāi)洞板計(jì)算，不可采用剛性樓板假定，模型計(jì)算的層間位移角無(wú)實(shí)際意義，本表中未列入層間位移角的對(duì)比,見(jiàn)表3，表4。

表3 模型A與模型B的樓層X(jué)向水平位移

表4 模型A與模型B的樓層Y向水平位移

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件盈建科，對(duì)體育館下主體部混凝土結(jié)構(gòu)模型與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架整體組合計(jì)算的模型進(jìn)行對(duì)比，并采取結(jié)構(gòu)措施(增加型鋼混凝土柱、設(shè)置鉛芯橡膠支座)，通過(guò)對(duì)比分析，得出了結(jié)論：

1)下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，局限性較大，無(wú)法真實(shí)反映工程情況整體組合模型能夠較為真實(shí)的模擬實(shí)際受力模型。柱與網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)處能夠根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用相應(yīng)的加強(qiáng)措施。2)鉛芯橡膠支座能夠適當(dāng)?shù)尼尫艤囟刃?yīng)，減小溫度應(yīng)力集中，并且能夠起到保護(hù)主體網(wǎng)架的作用，地震力作用時(shí)優(yōu)先受力，破壞后能夠修復(fù)或更換，且具有其他網(wǎng)架支座所不具有的限制位移功能。3)框架柱作為框架的唯一抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強(qiáng)其構(gòu)造措施。由于體育館特殊形體的原因，框架柱平面外長(zhǎng)度較長(zhǎng)，上部為網(wǎng)架支座生根位置，采取型鋼混凝土柱為比較可靠的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。