荊向曉 劉 宏 胡 剛

（華藍設(shè)計（集團）有限公司，廣西 南寧 530011）

1 工程概況

廣西體育中心游泳跳水館位于規(guī)劃五象新區(qū)核心區(qū)的邊緣地帶，東鄰邕江新大橋，西臨南寧大橋，北倚五象大道，是一座以能夠承辦全國性運動會、區(qū)域性國際運動會和部分國際、國內(nèi)重大單項水上賽事，兼顧平時使用和市民健身、娛樂等功能于一體的大型體育設(shè)施。其建筑結(jié)構(gòu)總長240.0m，寬114.0m，高31.5m，總建筑面積31500m2，可容納觀眾4073人，本工程已于2012 年9 月通過竣工驗收，圖1 為鳥瞰圖，圖2 為竣工照。

圖1 游泳跳水館鳥瞰圖

圖2 游泳跳水館竣工照

工程主體結(jié)構(gòu)為地下1 層，地上3 層。地下室為水電設(shè)備用房，地上一層為賽事競賽用房，包括運動員用房，裁判用房，競賽管理用房，媒體用房等，地上二層及三層為觀眾廳及服務(wù)用房。游泳跳水館外部為空間管桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)外結(jié)構(gòu)由于建筑需要彼此相互獨立，僅通過基礎(chǔ)梁有所連接。

2 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系

該工程鋼屋蓋主要有以下幾個特點：①屋蓋外形如梭形，屋頂無挑出，從頂?shù)降孛鏋楣饣^渡；②屋頂中部局域建筑設(shè)計為聚碳酸酯采光板屋面，要求盡量通透；③鋼屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需外露，結(jié)構(gòu)的選型尤為重要，結(jié)構(gòu)需成就建筑美，并體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)美。

根據(jù)上述特點，綜合考慮荷載分布、地質(zhì)情況和結(jié)構(gòu)受力性能，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用空間管桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)體系。主要受力體系為由橫向八榀落于地面基礎(chǔ)的空間管桁架，與縱向四榀落于兩端墩臺的空間管桁架，共同組成一個獨立的空間桁架結(jié)構(gòu)。橫向管桁架支座均采用成品抗震固定球鉸支座，縱向管桁架采用滑動球鉸支座。主桁架結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。橫向空間桁架與縱向空間桁架之間均設(shè)置單層網(wǎng)殼進行聯(lián)結(jié)，起到傳遞屋面系統(tǒng)荷載并增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的作用。鋼材材質(zhì)除側(cè)面支撐幕墻的豎向鋼管由穩(wěn)定性控制選擇Q235B 外其余為Q345B。整體結(jié)構(gòu)模型如圖4 所示。

圖3 主桁架結(jié)構(gòu)布置

圖4 整體結(jié)構(gòu)布置

2.1 主桁架結(jié)構(gòu)方案選擇

根據(jù)建筑方案要求，橫向八榀落于地面基礎(chǔ)的空間管桁架截面必須設(shè)計為倒三角形。桁架間距22.4m，跨度90.340～53.415m，建筑高度31.400～22.900m。為了體現(xiàn)結(jié)構(gòu)美，按受力特點，橫向空間管桁架均為變截面三角形，桁架在兩端折角處截面最大，向柱腳、跨中處逐漸收小，典型立面如圖5 所示；每榀橫向空間管桁架截面亦各不相同，位于建筑中間的桁架截面最大，向兩端各桁架截面隨著跨度的減小逐漸變小。橫向管桁架上弦桿件截面選用600×12、600×18 和600×30 三種類型；下弦桿件截面選用600×12、600×18、900×25 及900×28 四種類型，后兩種截面主要用于管桁架柱段部分；腹桿截面則根據(jù)受力需要選用203×6、273×14、299×14、426×16 及500×28 五種類型，材質(zhì)均為Q345B。

圖5 橫向空間管桁架典型立面圖

縱向空間管桁架起聯(lián)系和支撐的作用，設(shè)置在橫向桁架轉(zhuǎn)折處。原建筑方案要求縱向桁架截面亦為倒三角形，在橫向桁架轉(zhuǎn)折處下弦桿件則如圖6 所示，按此種方案計算發(fā)現(xiàn)橫向桁架下弦桿所受彎矩很大，失去桁架桿件應(yīng)主要受軸力的特點，桿件亦很難滿足；經(jīng)過與建筑協(xié)商最終縱向桁架截面采用倒梯形，保持建筑原上大下小收的趨勢，典型截面如圖7 所示，即通過縱向空間桁架下弦組成的平面桁架轉(zhuǎn)移了橫向桁架轉(zhuǎn)折處下弦桿件的彎矩，另外建筑馬道亦可直接設(shè)置在縱向桁架里，一舉兩得，獲得了建筑的認可?？v向管桁架上弦桿件截面選用450×10，下弦桿件截面選用299×8，腹桿截面則選用203×6，材質(zhì)均為Q345B。

圖6 橫向桁架轉(zhuǎn)折處下弦桿件連接

圖7 主桁架典型截面

2.2 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方案選擇

橫向空間桁架間距約22.4m，按常規(guī)宜設(shè)次桁架進行跨越，但建筑設(shè)計為暴露鋼結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)必須簡單輕巧，經(jīng)分析可沿建筑造型做成單層網(wǎng)殼的形式。最初結(jié)構(gòu)方案是全部做成三角形網(wǎng)格如圖8 所示，結(jié)構(gòu)整體剛度大，穩(wěn)定性好；但是建筑強烈要求中間采光區(qū)域不能為三角形，最終協(xié)商妥協(xié)為如圖4 所示，僅在采光區(qū)域布置兩跨三角形網(wǎng)格，其余則采用四邊形網(wǎng)格，此種方式雖無初始方案整體剛度大，但亦具有一定的剛度，能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

圖8 三角形網(wǎng)格形式

單層網(wǎng)殼桿件截面選用450×10、450×9、203×6 及219×10 四種類型。其中除450×9 截面桿件材質(zhì)為Q235B 外，其余材質(zhì)均為Q345B。建成后的室內(nèi)效果如圖9 所示。

3 鋼屋蓋整體分析

3.1 鋼屋蓋的建模與分析方法

由于屋蓋外形為梭形，無法用數(shù)學(xué)解析方程來準確表達屋蓋殼面，這給結(jié)構(gòu)建模帶來了較大的難度。本工程以建筑表皮定出控制線并在CAD 中完成了屋蓋結(jié)構(gòu)的三維精確幾何建模，其中相鄰兩個節(jié)點之間桿件采用直線段模擬，同時為了后期導(dǎo)荷方便，相鄰四個節(jié)點之間輸入三維面。CAD 建模時一定要分圖層，比如上弦桿一個圖層，腹桿一個圖層等，主要是為了后續(xù)在結(jié)構(gòu)分析軟件里對桿件和面進行管理時比較方便。

圖9 游泳館室內(nèi)照

本工程采用SAP2000 作為主結(jié)構(gòu)分析軟件，SAP2000 是由CSI 公司開發(fā)研制的通用有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件，是美國乃至全球公認的結(jié)構(gòu)計算程序。采用浙江大學(xué)開發(fā)的MST2008 作為補充結(jié)構(gòu)分析軟件。

CAD 模型建完后將其按圖層對應(yīng)分組導(dǎo)入SAP2000。其中所有桿件均采用梁單元進行模擬，本工程為空間結(jié)構(gòu)，桿件受力復(fù)雜，梁單元需按壓彎構(gòu)件考慮；面單元主要是為了輸入荷載和導(dǎo)荷，因此采用沒有厚度和質(zhì)量的虛面進行模擬，鋼屋蓋SAP2000 整體模型如圖10 所示。

圖10 鋼屋蓋SAP2000 整體模型

3.2 荷載選取及地震作用考慮

在計算中，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）（2006 年版），對鋼屋蓋進行恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、降溫25℃、升溫30℃總計5種單工況作用，荷載組合則按規(guī)范考慮了22 種組合。由于本工程體型復(fù)雜，進行風(fēng)洞試驗確定了風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)等各項計算參數(shù)。

地震作用則按規(guī)范與安評報告包絡(luò)設(shè)計考慮，采用三階段抗震驗算：第一階段：驗算結(jié)構(gòu)的彈性位移時，采用多遇地震作用，按彈性方法計算；第二階段：驗算構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性和連接強度時，采用設(shè)防烈度地震作用，按彈性方法計算；第三階段：在罕遇地震作用下，按彈塑性時程分析法計算結(jié)構(gòu)的彈塑性位移和桿件塑性變形能力。

3.3 鋼屋蓋整體分析要點

模型計算完后，應(yīng)主要關(guān)注以下幾點。

（1）模態(tài)分析結(jié)果：振型質(zhì)量參與系數(shù)應(yīng)大于0.9；第一振型應(yīng)以平動為主；結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比不應(yīng)大于0.9。

（2）結(jié)構(gòu)控制點水平位移：應(yīng)滿足控制點水平位移/控制點高度≤1/500。本工程此項比值為1/1519，滿足規(guī)范要求。

（3）結(jié)構(gòu)控制點豎向位移：應(yīng)滿足控制點豎向位移/鋼結(jié)構(gòu)跨度≤1/400。本工程此項比值為1/656，滿足規(guī)范要求。

（4）桿件應(yīng)力比：桿件應(yīng)力比應(yīng)控制在合理范圍，本工程控制桿件應(yīng)力比不超過0.85，關(guān)鍵桿件比如支座桿件應(yīng)力比不超過0.7。

（5）支座節(jié)點受力是否合理：計算完后，查看支座節(jié)點在各種工況下的反力，確定支座或其支撐構(gòu)件是否能承受，比如支座承受很大的彎矩或水平剪力均不可取。本工程縱向管桁架原本采用固定球鉸支座，計算后發(fā)現(xiàn)在升溫工況下水平推力巨大，支座及起支撐構(gòu)件很難滿足受力及變形要求，經(jīng)過對比后縱向管桁架最終采用滑動球鉸支座，以釋放溫度不利作用。

模型需經(jīng)過不斷調(diào)整計算分析，滿足以上幾點后才能基本確定，為后續(xù)其他分析打好基礎(chǔ)。

4 鋼屋蓋穩(wěn)定性分析

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)由于跨度大、造型復(fù)雜可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞，在設(shè)計中必須加以考慮。失穩(wěn)現(xiàn)象可分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，整體失穩(wěn)是整個結(jié)構(gòu)幾乎都出現(xiàn)偏離平衡位置并發(fā)生很大幾何變位的失穩(wěn)現(xiàn)象；局部失穩(wěn)則指只有局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏離平衡位置發(fā)生很大幾何變位的失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。一般如果桿件和節(jié)點按規(guī)范要求進行設(shè)計局部失穩(wěn)可得到控制，整體失穩(wěn)分析則成為大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重點和難點。

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析方法主要有：①求矩陣方程的特征值方法。此方法未能考慮安裝缺陷的影響，其結(jié)果可作為穩(wěn)定承載力上限，并可給第二種和第三種方法提供初始缺陷分布。②幾何非線性有限元分析法。此方法不考慮材料非線性，但考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷，對結(jié)構(gòu)在荷載作用下進行彈性非線性分析。③雙重非線性有限元分析法。此方法既考慮幾何非線性又考慮材料非線性，在計算中可以考慮初始缺陷，其結(jié)果能較準確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力[1]。

本工程利用ANSYS 采用雙重非線性有限元分析法對鋼屋蓋整體穩(wěn)定性進行了分析，結(jié)果如圖11 所示，其中工況1：恒載+滿跨活載；工況2：恒載+半跨活載。具體分析過程可參考文獻[2]。

圖11 雙重非線性荷載-位移曲線

從圖11 可看出兩種工況下雙重非線性分析結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)均大于2[3]，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

5 鋼屋蓋關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

鋼屋蓋橫向管桁架作為主要的受力構(gòu)件，其主管的截面尺寸較大；在橫向管桁架和縱向管桁架交界的地方主管上可能連接多根次管，受力非常復(fù)雜，采用相貫焊接方法質(zhì)量不能保證，故此區(qū)域的節(jié)點均采用鑄鋼節(jié)點，并需要對相關(guān)節(jié)點進行受力分析，鑄鋼節(jié)點如圖12 所示。

圖12 鑄鋼節(jié)點

本工程首先利用ANSYS 對鑄鋼節(jié)點進行了有限元分析，得出需在主管內(nèi)部增加兩道環(huán)狀加勁板的結(jié)論。具體分析過程參考文獻[4]，以下僅以典型節(jié)點8 進行簡要說明。

圖13 為節(jié)點8 未設(shè)加勁板的vonMises 應(yīng)力圖，從圖中可以看出支管與主管交界處von Mises 應(yīng)力大范圍進入屈服階段，最大應(yīng)力達到496MPa，因此需要對節(jié)點8 進行加固處理。

在主管內(nèi)部增加兩道環(huán)狀加勁板，幾何尺寸如圖14 所示。

圖15 為節(jié)點8 設(shè)兩塊加勁板的von Mises 應(yīng)力圖，通過有限元結(jié)果可以看出：增加兩塊環(huán)形加勁板后，桿件交匯處的應(yīng)力水平明顯降低，最大處的von Mises 應(yīng)力為267MPa，滿足構(gòu)件的彈性設(shè)計要求。

其次為了測試鑄鋼節(jié)點的實際受力情況，委托同濟大學(xué)對節(jié)點8 和節(jié)點11 進行足尺鑄鋼節(jié)點加載試驗[4]。節(jié)點材料采用鑄鋼G20Mn5（N）。為消除支座、加載等裝置的約束對試驗部位應(yīng)力分布的影響，兩個鑄鋼節(jié)點的每個管端均按實際工程的焊接方法焊接了一段與實際工程型號相同的鋼管。焊接外伸管后的鑄鋼節(jié)點模型如圖16 所示。

圖13 節(jié)點8 von Mises 應(yīng)力/MPa

圖14 節(jié)點8 加勁板幾何尺寸

圖15 節(jié)點8（加勁）von Mises 應(yīng)力

圖16 試驗?zāi)Ｐ?/p>

通過試驗結(jié)果和有限元結(jié)果的比較，結(jié)果表明兩種結(jié)果的曲線吻合較好，各類節(jié)點均可靠安全。

6 結(jié)論

（1）本工程采用空間管桁架與單層網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)體系，不僅能滿足建筑要求，而且結(jié)構(gòu)受力明確合理。

（2）本工程鋼屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需外露，按受力特點，橫向空間管桁架均為變截面三角形，桁架在兩端折角處截面最大，向柱腳、跨中處逐漸收小，結(jié)構(gòu)成就建筑美，并體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)美。

（3）結(jié)構(gòu)計算模型不可能一次就定下來，需經(jīng)過不斷調(diào)整計算分析，滿足鋼結(jié)構(gòu)整體分析要點后才能基本確定。

（4）需重視鋼屋蓋的整體穩(wěn)定性分析，對于重要和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)補充進行雙重非線性屈曲分析。

（5）需重視鋼屋蓋關(guān)鍵節(jié)點分析，可先采用有限元軟件進行模擬分析，必要時還需進行足尺試驗進行驗證。

（6）本工程于2012 年竣工，已使用多年，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，本文所提方法可供類似工程參考。