黃秀亮，趙明，林家民，汪胤雅

（1.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601；2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030）

1 工程概況

本項(xiàng)目建筑面積約1.8×104m2，固定座位數(shù)約6 000 個(gè)，建筑物高度32.021 m，其外形呈橢圓形。下部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；屋蓋采用雙向桁架結(jié)構(gòu)體系，最長(zhǎng)處約132 m，最寬處約91 m，其效果圖如圖1 所示。

圖1 體育館效果圖

本工程抗震設(shè)防類別為乙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組；場(chǎng)地類別：Ⅲ類。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）[1]，本工程的抗震等級(jí)為一級(jí)。50 年一遇的基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2，地面粗糙度：B 類。建筑物耐火等級(jí)為一級(jí)。

工程所在地的基本氣溫最高值為37 ℃，最低值為-8 ℃，因而分別按照升溫27 ℃，降溫28 ℃考慮，鋼結(jié)構(gòu)的施工合龍溫度為（15±5）℃。

2 計(jì)算假定與計(jì)算分析內(nèi)容

計(jì)算假定：體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋落于混凝土柱頂上，在模型中采用彈性連接模擬[3]。

計(jì)算分析采用Midas Gen 2019V2.1 有限元計(jì)算軟件，對(duì)鋼屋蓋和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體合模計(jì)算分析，主要計(jì)算內(nèi)容如下：

1）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)重要性不同，采取不同的應(yīng)力比控制指標(biāo)，以保證對(duì)結(jié)構(gòu)安全性比較關(guān)鍵的構(gòu)件有較大的安全儲(chǔ)備。

2）對(duì)常遇地震下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，按照彈性設(shè)計(jì)控制，地震分析方法為反應(yīng)譜法。

3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

1）桁架弦桿應(yīng)力比分析結(jié)果見圖2。由圖2 可知，桁架弦桿最大應(yīng)力比為0.76，滿足應(yīng)力比控制要求。

圖2 桁架弦桿應(yīng)力比圖

2）桁架腹桿應(yīng)力比分析結(jié)果見圖3。由圖3 可知，桁架腹桿最大應(yīng)力比為0.85，滿足應(yīng)力比控制要求。

圖3 桁架腹桿應(yīng)力比圖

4 位移計(jì)算結(jié)果

荷載作用下的最大位移見表1。

表1 荷載作用下的最大位移

由此可知，體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在組合荷載作用下最大變形出現(xiàn)在跨中區(qū)域，最大豎向變形為121.08 mm=1/679＜1/250；懸挑處變形為20.34 mm=1/270＜1/125，均滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求。

5 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由于本工程結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，對(duì)鋼桁架進(jìn)行了屈曲分析，通過屈曲分析計(jì)算其屈曲模態(tài)以及易發(fā)生屈曲的位置，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

屈曲分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的約束條件與反應(yīng)譜分析時(shí)一致，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋考慮1.0 恒載+1.0 全跨活荷載作為結(jié)構(gòu)的初始荷載；根據(jù)結(jié)構(gòu)第一階屈曲模態(tài)分布考慮結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的初始幾何缺陷按屋蓋跨度的1/300 考慮。根據(jù)屈曲分析結(jié)果，確定對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性造成影響的最小階屈曲因子和屈曲模態(tài)。

前二階屈曲分析結(jié)果如下：

1）第一階屈曲模態(tài)

第一階屈曲模態(tài)變形圖如圖4 所示。

由圖4 可知，在1.0 恒+1.0 全跨活荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)為屋蓋區(qū)域局部桿件面內(nèi)屈曲失穩(wěn)，此時(shí)屈曲模態(tài)所對(duì)應(yīng)的特征值為12.0，即在線彈性（不考慮幾何和材料非線性）情況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生圖示模態(tài)屈曲失穩(wěn)時(shí)的臨界荷載值為12.0（1.0 恒+1.0 全跨活荷載）。

圖4 第一階屈曲模態(tài)變形圖（屈曲因子為12.0）

2）第二階屈曲模態(tài)

第二階屈曲模態(tài)變形圖如圖5 所示。

由圖5 可知，在1.0 恒+1.0 全跨活荷載組合工況作用下，結(jié)構(gòu)的第二階模態(tài)為屋蓋區(qū)域局部桿件面內(nèi)屈曲失穩(wěn)，此時(shí)屈曲模態(tài)所對(duì)應(yīng)的特征值為12.4，即在線彈性（不考慮幾何和材料非線性）情況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生圖示模式屈曲失穩(wěn)時(shí)的臨界荷載值為12.4（1.0 恒+1.0 全跨活荷載）。

圖5 第二階屈曲模態(tài)變形圖（屈曲因子為12.4）

通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)前二階屈曲因子均較大，屈曲承載力較高，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

體育場(chǎng)館在結(jié)構(gòu)分析中需要將鋼屋蓋與下部混凝土結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行空間整體分析，才能與實(shí)際受力情況較為吻合[4]。體育場(chǎng)館一般屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅需要需考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震的作用，還需要考慮溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分布以及變形的影響。本工程在設(shè)計(jì)過程中采用了空間有限元軟件進(jìn)行了整體分析，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。該館鋼屋蓋已吊裝使用，取得了預(yù)期的效果。