胡振杰, 許 平, 陳平友
(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司, 成都 610011)
金強(qiáng)國際賽事中心位于四川省成都市溫江區(qū),是2021年第31屆世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)比賽場(chǎng)館之一,總建筑面積約16.2萬m2,地上設(shè)一道防震縫,分為體育館和商業(yè)兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元。體育館建筑面積約4.49萬m2,地上5層,屋頂標(biāo)高43.120m,包含12 560座固定座席及1 620座活動(dòng)座席,屬特大型甲級(jí)體育館,可承辦NBA,CBA等高水平國際籃球比賽,同時(shí)兼具演藝中心功能,可舉辦文藝演出等活動(dòng)。建筑鳥瞰圖、剖面圖如圖1,2所示。
建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),建筑抗震設(shè)防類別為乙類,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí),建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火等級(jí)為一級(jí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。
圖1 建筑鳥瞰圖
圖2 建筑剖面圖
工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,地震分組為第三組,基本地震加速度為0.10g,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.3kN/m2;地面粗糙度類別B類;計(jì)算屋蓋時(shí)按照100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.35kN/m2和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[1]取大值進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。屋面附加恒載1.0kN/m2;屋面活載:上弦0.5kN/m2,下弦0.3kN/m2;馬道荷載:自重1.0kN/m2,檢修活載1.0kN/m2;屋蓋吊掛荷載(如照明、揚(yáng)聲器及斗屏荷載等)按實(shí)際取值。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體溫度作用:升溫27.3℃,降溫25.9℃;合攏溫度:T0,max=20℃,T0,min=10℃。
圖3 主體結(jié)構(gòu)平面布置示意
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2]要求,驗(yàn)算構(gòu)件承載力的荷載組合見表1,表中僅列出了有代表性的荷載工況。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。表中風(fēng)荷載考慮多個(gè)風(fēng)向角,溫度作用考慮升溫和降溫工況。其他詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)可查閱文獻(xiàn)[3]。
主要荷載(作用)組合 表1
主體結(jié)構(gòu)可選擇的方案有:框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)??蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-支撐結(jié)構(gòu)首層平面布置如圖3所示,框架結(jié)構(gòu)與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)的框架部分布置相同。對(duì)三種方案總裝模型進(jìn)行計(jì)算分析,選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)對(duì)比見表2。
主體結(jié)構(gòu)各方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表2
通過表2可以得出:1)框架結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度不足,雖可采用增加周邊框架柱和環(huán)向框架梁的截面來提高其抗扭剛度,但效率不高,第1振型仍為扭轉(zhuǎn),且從抗震設(shè)防角度講,框架結(jié)構(gòu)的抗震性能不如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。2)利用建筑的樓梯間,增設(shè)6道落地剪力墻,剪力墻設(shè)置方式為嵌入環(huán)向框架與徑向框架之內(nèi),有效地增加了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,且從抗震性能上講,屬于多道設(shè)防的抗震體系,抗震性能優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。3)框架-支撐結(jié)構(gòu)的抗扭剛度介于框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)之間,利用不影響建筑使用功能的空間,設(shè)置8道“人”字形支撐,能有效控制結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)。
綜上,從成本及施工便利性考慮,體育館主體結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)較恰當(dāng)。剪力墻厚度取400mm和500mm;框架柱主要截面為800mm×800mm,支撐屋蓋的框架柱截面為1 000mm×1 500mm;框架梁主要截面為500mm×800mm,600mm×800mm;各層樓板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系,樓板厚度取130~180mm;為增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的整體性,周邊看臺(tái)均采用現(xiàn)澆混凝土看臺(tái)。
體育館屋蓋平面投影呈一橢圓平面,長軸尺寸126.7m,短軸尺寸109.7m,四周懸挑6~15m。屋面標(biāo)高由頂部向四周呈放射狀變化,屋頂最高處標(biāo)高為43.120m,檐口處標(biāo)高為34.400m。
根據(jù)本工程屋蓋特點(diǎn),鋼屋蓋結(jié)構(gòu)可選擇的方案有:1)正放四角錐網(wǎng)架,網(wǎng)架高7.5m;2)立體桁架,高7.5m;3)張弦拱桁架,總高13.5m,其中桁架高3m;4)雙向正交平面桁架組成的正放網(wǎng)架,跨中高9.5m。各方案剖面示意見圖4,對(duì)各方案進(jìn)行了靜力及地震作用組合的計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見表3。
圖4 鋼屋蓋各方案剖面示意
屋蓋各結(jié)構(gòu)方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比表3
通過表3可以看出,各方案各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[4](簡稱空間網(wǎng)格規(guī)程)規(guī)定。正放四角錐網(wǎng)架、張弦拱桁架方案用鋼量較少;各方案豎向剛度接近??紤]到建筑功能、美觀及業(yè)主要求,各方案利弊分析如下:
(1)根據(jù)業(yè)主及建筑專業(yè)要求,設(shè)備管線及馬道需隱藏在屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi),且為達(dá)到簡潔、通透的視覺效果,桿件數(shù)量要盡量少。正放四角錐網(wǎng)架與立體桁架一方面不利于馬道及風(fēng)管布置;另一方面,其桿件數(shù)量較平面桁架多,且較凌亂,且正放四角錐網(wǎng)架采用焊接球節(jié)點(diǎn),球徑會(huì)很大,影響美觀。
(2)張弦拱桁架方案撐桿和索需下掛一部分,且撐桿高度較高,越靠近場(chǎng)地中央高度越大,較高的撐桿對(duì)建筑空間視覺效果影響較大;中間區(qū)域不僅是比賽的重要位置,同時(shí)此處布置有中央斗屏等設(shè)備,較高的撐桿影響觀眾的視線;除了既定的體育賽事外,為兼顧大型演藝活動(dòng)中心功能,懸掛荷載較大,如果采用張弦結(jié)構(gòu),不利于吊點(diǎn)設(shè)置,影響今后的使用功能;施工方面,張弦結(jié)構(gòu)會(huì)增加施工張拉成本,施工工藝也較普通網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
(3)雙向正交平面桁架組成的正放網(wǎng)架方案,直線形的各榀主桁架兩端均直接支撐在混凝土大柱的支座上,力流傳遞流暢;組成的雙向正交桁架傳力簡潔,豎向剛度大,桁架上弦坡度與建筑坡面一致,下弦位于同一水平面;屋蓋與主體結(jié)構(gòu)采用彈性支座連接,可以有效減小支座水平反力,提高混凝土柱結(jié)構(gòu)安全度,使結(jié)構(gòu)選型與建筑要求能夠較好地達(dá)到和諧統(tǒng)一。該屋蓋結(jié)構(gòu)形式的用鋼量相對(duì)要大一些,但平面桁架是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,施工工藝成熟、簡便,同類型跨度相近的體育館也多采用此方案[5-6],且相對(duì)于網(wǎng)架和立體桁架方案,平面桁架的空間視覺效果更好,業(yè)主及建筑師更愿意接受。
綜上,屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用雙向正交平面桁架組成的正放網(wǎng)架體系。桁架端部矢高為3.6~4m,跨中矢高為5.6~9.5m,各榀桁架均支承于周邊32個(gè)混凝土大柱上,在柱頂沿周邊設(shè)置一道環(huán)向桁架,在下弦、上弦周邊及中部兩個(gè)方向設(shè)置鋼拉桿,以增強(qiáng)屋蓋整體性,屋蓋結(jié)構(gòu)布置見圖5。
圖5 屋蓋結(jié)構(gòu)布置示意圖
大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)對(duì)下部混凝土柱頂?shù)耐屏κ潜竟こ痰闹仉y點(diǎn)之一,常見的處理方式是屋蓋與混凝土柱的連接采用彈性支座[7-9],以釋放屋蓋在恒載、活載及溫度作用下對(duì)柱頂產(chǎn)生的推力,本工程也采用此方案處理,彈性支座技術(shù)參數(shù)見表4,構(gòu)造示意見圖6。
彈性支座技術(shù)參數(shù) 表4
圖6 彈性支座構(gòu)造示意圖
本工程場(chǎng)地地貌單一,地形平坦,未發(fā)現(xiàn)其他埋藏的河道、溝浜、墓穴、防空洞、孤石等對(duì)工程不利的埋藏物,也不存在巖溶、泥石流、危巖及崩塌、滑坡、采空區(qū)、地面沉陷等不良地質(zhì)作用,場(chǎng)地整體穩(wěn)定,適宜建筑?;讟?biāo)高下稍密~密實(shí)卵石層承載力高、壓縮性低,工程性質(zhì)好,是擬建筑物良好的持力層,故本工程采用天然基礎(chǔ),以稍密卵石作為持力層,其承載力特征值fak為340kPa,采用抗浮錨桿進(jìn)行整體抗浮。
綜合考慮各項(xiàng)因素,結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)按C級(jí)設(shè)計(jì),不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水準(zhǔn)見表5。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求 表5
根據(jù)空間網(wǎng)格規(guī)程和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[10]的有關(guān)規(guī)定,另考慮到本工程跨度較大,屋蓋在恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合以及重力荷載代表值與多遇豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)組合下的撓度均按照1/300控制,嚴(yán)于規(guī)范1/250的要求。體育館鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為關(guān)鍵構(gòu)件與一般構(gòu)件,并設(shè)定相應(yīng)的應(yīng)力比和長細(xì)比控制指標(biāo),見表6、表7。
各部位鋼構(gòu)件應(yīng)力比控制標(biāo)準(zhǔn) 表6
各部位鋼構(gòu)件長細(xì)比控制標(biāo)準(zhǔn) 表7
采用YJK和PMSAP兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震下的反應(yīng)譜分析和彈性時(shí)程分析,采用YJK軟件進(jìn)行了設(shè)防地震及罕遇地震作用下的反應(yīng)譜分析,采用SAUSAGE和ABAQUS軟件進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。主體結(jié)構(gòu)抗震性能計(jì)算分析結(jié)果見表8。
由表8可以看出,罕遇地震下支座最大位移達(dá)到116mm,超過支座設(shè)計(jì)限位90mm,需判斷支座達(dá)到限位后柱頂能否承受屋蓋推力。通過計(jì)算得出,支座達(dá)到設(shè)計(jì)限位90mm時(shí),屋蓋對(duì)柱頂?shù)耐屏?kN/mm×90mm=720kN,假設(shè)柱頂位移再增加26mm,按照彈性剛度計(jì)算得到柱頂施加的推力為200kN,二者疊加可得達(dá)到限位后,柱頂承受的推力為920kN,引起的支撐柱最大彎矩為1 127kN·m,柱截面為1 000mm×1 500mm,內(nèi)置型鋼H900×300×25×25(Q355),經(jīng)驗(yàn)算,可滿足支撐柱抗剪、抗彎承載力要求。
采用MIDAS Gen軟件2019版對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析、線性和非線性穩(wěn)定分析、節(jié)點(diǎn)有限元分析及施工模擬分析,分析模型均采用屋蓋與下部混凝土共同作用的整體模型,采用ABAQUS軟件6.14版進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元分析。
抗震性能計(jì)算分析結(jié)果匯總 表8
靜力荷載作用下,關(guān)鍵構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.56,小于0.7,出現(xiàn)在支座腹桿;主桁架弦桿、腹桿最大應(yīng)力比為0.69,小于0.8;其他桿件應(yīng)力比均小于0.85,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
考慮屋蓋活載最不利布置,分別考慮活載分布在內(nèi)圈(懸挑部分不布置活載)、外圈(僅懸挑部分布置活載)、西半跨、南半跨等工況,各工況下最大撓度為229mm,對(duì)應(yīng)恒載和內(nèi)圈活載標(biāo)準(zhǔn)組合工況,小于結(jié)構(gòu)撓跨比限值1/300,滿足設(shè)計(jì)要求。
比較恒載、活載、溫度作用及風(fēng)荷載基本組合下屋蓋采用固定鉸支座和彈性支座柱頂反力,采用固定鉸支座所有框架柱中最大反力為2 697kN,采用彈性支座最大反力為382kN,由此可見,采用彈性支座后,可釋放大部分屋蓋對(duì)柱頂?shù)耐屏?,最大支座位移?0.8mm,設(shè)計(jì)支座允許變形為±90mm,滿足要求。
模態(tài)分析是動(dòng)力分析的基礎(chǔ),用以確定結(jié)構(gòu)的自振周期和振型,重力荷載代表值取1.0恒載+0.5活載,得到X向質(zhì)量參與系數(shù)為98.61%,Y向質(zhì)量參與系數(shù)為98.63%,Z向質(zhì)量參與系數(shù)為96.50%,結(jié)構(gòu)前6階振型如圖7所示。第1,2階振型為屋蓋平動(dòng),第3階振型為扭轉(zhuǎn),第4階振型為豎向振動(dòng),第5階振型為屋蓋平動(dòng),第6階振型為屋蓋與混凝土結(jié)構(gòu)整體平動(dòng)。
圖7 屋蓋前6階振型圖
多遇地震作用參與組合工況下,關(guān)鍵構(gòu)件最大驗(yàn)算應(yīng)力出現(xiàn)在看臺(tái)支撐柱處的腹桿,其值為0.694,小于0.7,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;一般構(gòu)件最大驗(yàn)算應(yīng)力比出現(xiàn)在屋蓋上弦桿,其值為0.779,小于0.8,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。屋蓋在重力荷載代表值和多遇豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值下的撓度為211mm,小于跨度的1/300(364.8mm),滿足屋蓋的撓度控制標(biāo)準(zhǔn)。
設(shè)防地震作用參與組合工況下,關(guān)鍵構(gòu)件最大驗(yàn)算應(yīng)力比出現(xiàn)在看臺(tái)支撐柱處的弦桿,其值為0.378,小于1.0,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;一般構(gòu)件最大驗(yàn)算應(yīng)力比出現(xiàn)在屋蓋上弦桿,其值為 0.437,小于1.0,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
罕遇地震作用參與組合工況下,關(guān)鍵構(gòu)件最大驗(yàn)算應(yīng)力比出現(xiàn)在看臺(tái)支撐柱處的腹桿,其值為0.457,小于1.0,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;一般構(gòu)件最大驗(yàn)算應(yīng)力比出現(xiàn)在屋蓋腹桿,其值為 0.538,小于1.0,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
采用ABAQUS與SAUSAGE軟件對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析,計(jì)算結(jié)果表明,屋蓋鋼結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)屈服,未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。
7.4.1 線性特征值屈曲分析
采用有限元軟件MIDAS Gen對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性屈曲分析,計(jì)算結(jié)構(gòu)在1.0恒載+1.0活載、1.0恒載+1.0西半跨活載、1.0恒載+1.0南半跨活載共三種荷載工況下的特征值,求得結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)模態(tài)及線性特征值屈曲因子K,如圖8所示。
7.4.2 考慮幾何非線性的穩(wěn)定性分析
特征值屈曲為體系穩(wěn)定性承載力的上限,為準(zhǔn)確反映整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力,應(yīng)進(jìn)行考慮幾何非線性影響的穩(wěn)定性分析。采用MIDAS Gen軟件,對(duì)考慮幾何非線性(施加L/300初始幾何缺陷,其中L為屋蓋跨度)的模型進(jìn)行極限承載力分析,計(jì)算結(jié)果如圖9所示,最小屈曲因子為6.3,滿足空間網(wǎng)格規(guī)程規(guī)定的最小安全系數(shù)4.2的要求。
圖8 整體失穩(wěn)模態(tài)及線性特征值屈曲因子K
圖9 整體失穩(wěn)模態(tài)及非線性屈曲因子K
綜合考慮最不利荷載控制工況,選取了應(yīng)力較大的幾處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,具體節(jié)點(diǎn)位置如圖10所示。選取的節(jié)點(diǎn)分別為帶拉桿的上弦連接節(jié)點(diǎn)、不帶拉桿的上弦連接節(jié)點(diǎn)、下弦連接節(jié)點(diǎn)和彈性支座連接節(jié)點(diǎn)。限于篇幅,本文僅列出支座節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果。
圖10 節(jié)點(diǎn)位置示意圖
圖11 支座節(jié)點(diǎn)有限元模型
圖12 支座節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖/MPa
圖13 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)滑移施工方案示意
圖14 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工模擬各階段變形云圖/mm
支座節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖11所示,短柱直徑1 000mm,壁厚50mm,高1 100mm,焊接在厚度為50mm的圓形端板上,節(jié)點(diǎn)各桿件焊接在節(jié)點(diǎn)短柱上,豎腹桿與節(jié)點(diǎn)短柱之間采用壁厚50mm的錐形過渡段焊接連接,為避免節(jié)點(diǎn)短柱發(fā)生屈曲,在短柱內(nèi)設(shè)置兩道橫向加勁肋和四道縱向加勁肋,加勁肋厚40mm,各構(gòu)件材質(zhì)均為Q355B,桿件截面如下:下弦桿1截面φ600×25;下弦桿2,4截面φ351×10;下弦桿3截面φ450×12;豎腹桿5截面φ500×16。模型荷載條件取罕遇地震作用下的桿件內(nèi)力。支座節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如圖12所示,可以看出,支座節(jié)點(diǎn)區(qū)域最大應(yīng)力不超過290MPa,管壁未出現(xiàn)截面塑性發(fā)展,能夠滿足大震不屈服的設(shè)計(jì)要求。
工程采用分片滑移法施工,施工模擬時(shí),將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)由南向北分為6個(gè)滑移單元,每個(gè)滑移單元包含2~3榀桁架,施工過程分為六個(gè)階段,第一階段滑移第1單元,第二階段滑移第1,2單元,依此類推,第六階段滑移所有單元。設(shè)置兩條滑移軌道,如圖13所示。在滑移過程中,將原本要在鋼結(jié)構(gòu)全部滑移到位后才能焊接安裝的通風(fēng)管、檢修通道等都在整榀鋼結(jié)構(gòu)滑移前一并完成,實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)與機(jī)電管線組合滑移,因此在施工模擬階段,除考慮屋蓋自重荷載外,還需考慮屋蓋內(nèi)部風(fēng)管、馬道等荷載。
運(yùn)用MIDAS Gen軟件的激活與鈍化功能,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)施工過程進(jìn)行分析,主要考察整體結(jié)構(gòu)的變形以及鋼構(gòu)件各個(gè)控制位置的受力狀態(tài),如圖14所示,此處僅列出部分施工階段的結(jié)果。由圖14可以看出,各階段屋蓋變形均能滿足限值要求,查看各階段的桿件應(yīng)力,所有桿件均處于彈性階段。
(1)混凝土和鋼結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下的彈性和彈塑性分析結(jié)果表明,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的C級(jí)抗震性能目標(biāo)。
(2)罕遇地震作用下支座限位及支撐柱受力驗(yàn)算結(jié)果表明,即使支座達(dá)到最大限位,屋蓋支撐柱仍能夠滿足承載力要求。
(3)對(duì)鋼屋蓋補(bǔ)充了穩(wěn)定性分析、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的有限元分析及施工過程的模擬分析。結(jié)果表明,屋蓋能夠滿足整體穩(wěn)定性要求,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在罕遇地震作用下仍保持彈性,施工過程各階段屋蓋桿件也均處于彈性階段。
目前該項(xiàng)目已完成主體和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工。