體育館結構設計論文

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1工程概況

本工程位于福州市八一七路與洋中路之間，在福州市工人文化宮原址上進行建設，是福州市工人文化宮改擴建工程的重要組成部分。工人文化宮由體育館、多功能影劇院，連廊，地下商場等部分構成，地下室部分連接成整體，上部各功能分區各自獨立。福州工人文化宮體育中心為三層公建，附建一層地下車庫。本樓首層設計為游泳館，二層為羽毛球館，三樓為籃球及乒乓球館。在各層場館之間設有局部小面積夾層作為休息連廊和附屬配套用房。體育館總高23.9米，平面尺寸寬約71米，長約89米，平面為扇形。本樓與周邊結構采用抗震縫斷開，形成單獨的抗震單元。從地下室頂面以上，各層層高依次為:6.0米，4.2米(夾層休息廊)，4.8米，4.8米(夾層休息廊)，4.8米，5.0米(夾層休息廊)。本工程抗震設防烈度為七度，設計基本地震加速度為0.1g，地震分組為第一組，根據地質勘察報告，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.45s，多遇地震水平地震影響系數最大值0.08。本工程基本風壓0.7kN/m2。本工程未設置觀眾席，預計使用人員數量1500人以下。抗震設防類別為丙類。基礎形式:擬建場地地貌單元以剝蝕殘丘地貌為主，部分地段為沖淤積盆地。場地土類型為中軟土。建筑場地類別為二類場地。設計時不必考慮地震液化影響。土層從上到下由雜填土，殘積砂質粘土，全風化巖，強風化巖，中風化巖組成。根據本工程特點及土層分布情況，設計采用高強預應力管樁，平均樁長約15米，樁徑500，單樁承載力特征值2000kN，基礎持力層為強風化花崗巖。各建筑單體高度相差不大且樁端持力層條件較好，因此設計時各單體之間未設置沉降縫。沉降計算滿足規范要求，沉降觀測所得沉降值小于20mm。

2結構設計選型

本工程由于建設單位要求，在一層設置22.3×50米泳池，形成了一個跨度33米的大跨度空間。在初步設計時發現，33米跨大梁如果按混凝土結構設計的話，大梁自重在結構荷載中所占的比重過大，結構形式的合理性存在問題。因此經過多種比較，最終確定大梁采用鋼桁架梁。根據大跨度梁的結構形式，設計中確定了結構樓面采用鋼結構體系。本工程平面為扇形，樓面承重體系中樓板采用壓型鋼板形成的非組合樓板體系。這樣設計主要是考慮:雖然非組合樓板體系板配筋量略大于組合樓板體系，但省去了壓型鋼板涂刷防護涂料的費用和工時，整體考慮造價還是合適的。樓面梁在扇形外邊緣跨度達到12米，斷面為H600×200，33米大跨桁架高度根據建筑功能要求高度設計為2米，22米跨主梁為1.3米焊接H型鋼梁。由于結構平面布置較空曠，本工程豎向支撐構件為鋼管混凝土柱，以提高結構的抗側剛度，減小地震力作用下結構的側向變形。截面直徑為700mm及600mm。水平受力由框架梁、柱、及斜支撐體系構成。斜支撐截面為:H300×300及H350×350。鋼結構樓面的條件下，可選的抗側力體系有兩種:一是采用鋼筋混凝土剪力墻加上鋼框架即混合結構的形式，另一種是采用帶斜支撐的鋼框架。兩種方案對比如下:混合結構的優點在于:剪力墻布置位置較靈活，結構布置對建筑平面影響小;剪力墻可提供較大的側向剛度，能夠很好地解決鋼框架結構側向剛度不足的問題。但這種結構形式目前存在較大爭議，在國外的應用不多。主要原因在于一些研究者認為:剪力墻與鋼框架對比，剪力墻剛度大，相對承載力較小;而鋼框架承載能力好但抗側剛度差。二者存在于同一抗側力體系中時，剪力墻由于剛度大，吸收了較多的地震力，但因為其較小的承載能力而率先破壞;剩余的鋼框架容易因變形過大而引起結構失效。混凝土剪力墻與框架系統由于剛度差異不易形成共同受力共同耗能的機制。雖然在我國實際建成的工程實例比較多，但目前的理論研究滯后于工程實踐，我們對這種結構的受力特性了解不夠深入。帶斜支撐鋼框架體系的特點在于側向剛度大，延性好，同時結構受力合理，體系明晰，但鋼支撐的布置對建筑平面有一定的影響。通過與建筑專業的配合，可以把這種影響控制在可以接受的范圍之內。通過比較，本工程選擇了帶斜撐鋼框架結構體系。

3結構設計分析

本工程采用PKPM、Midas－building進行上部整體結構分析計算，設計結果以Midas－building輸出為主要依據，PKPM設計為輔。由于PKPM對于格構柱與桁架梁的斷面輸入不太方便，采用PKPM軟件設計時將樓層桁架梁截面根據截面積及抗彎剛度等效的原則簡化為型鋼梁，簡化的合理性可以通過軟件計算結果對比作出判斷。本工程結構嵌固層設置于地下室頂板面，地面以上主體結構六層。為配合建筑布置和功能需要，上部結構每隔一層大面積透空，所余面積不足外墻輪廓線內面積的30%，樓面的整體性受到很大的削弱，樓板水平傳力途徑在本層不連續，空間的整體受力會受到影響。因此，整體計算中結構樓板采用彈性膜假設計算;同時除了采用整體計算分析，本工程采用3d3s軟件建立了平面框架模型，作為整體結構設計的補充。計算結果表明，平面框架模型計算得到的結構構件應力普遍大于整體模型計算結果，但設計斷面可以滿足計算要求。

4結構設計不規則及應對

建筑平面偏心布置的考慮:本結構由于建筑平面布置的原因，每隔一層形成一個偏心的大空曠平面。從計算結果可以看出由于夾層處質量的偏心，造成結構自振周期中扭轉的比例較大。因此結構布置時根據計算需要，在建筑影響較小的位置加強人字支撐的剛度，以調整質量分布不均造成的扭轉影響。按計算結果，層間最大水平位移與層間平均水平位移的比值控制在了1.4以內，略大于規范規則性的規定。但由于層間位移角遠小于規范限值，因此結構在水平作用力下的扭轉是完全可以接受的。結構大開洞的考慮:結構隔層大開洞，在夾層中，造成樓面板的平面剛度不連續。因此，整體計算時考慮了開洞影響，將全樓樓板設為彈性膜以考慮樓板在平面內的實際剛度。同時，在整體計算之外，增加局部框架的計算，以考慮在樓板不能連續傳力情況下局部框架的受力。根據計算結果，局部框架的受力可以滿足設計要求。性能設計的考慮:本結構樓面大開洞，樓蓋大跨度，同時質量重心偏置，形成了較不規則結構。設計時，為保證常遇地震作用下結構的安全性，對于一些重要構件提高了性能設計驗算的要求。雖然本工程層數較少，總高不大，但樓層間質量、剛度都相差較大，豎向不規則，采用靜力彈塑性分析與本工程高階振型地震作用較大的實際情況不相符，因此本工程的性能設計采用的是擬彈性法。具體考慮為:框架柱抗彎抗剪均驗算至中震彈性，斜撐構件為軸向受力構件，驗算至中震不屈服，相應節點均采用等強連接。通過以上措施，在設計過程中對結構不規則部分進行了驗算及加強，提高了結構安全度。

5樓蓋結構舒適性的驗算

體育館鋼結構樓蓋由于跨度大，隔墻等非結構構件數量少，因此樓蓋阻尼小，基頻低。在人員活動時可產生豎向振動，當振動超過一定限值時容易引起使用人員的不適與恐慌。因此，在設計過程中應對樓蓋結構的振動舒適度進行控制。本工程樓蓋結構跨度較大，體育館兩跨運動場地主框架分別為達到33米、22米，開間最大12米，樓蓋剛度較小，樓板振動不可忽略。本工程在2010年8月份完成施工圖審查時《高規》與《混凝土規范》均未對樓面振動進行規定，當時國內建成的鋼－混凝土混合樓蓋主要用于高層及超高層商住樓，樓面的使用功能以住宅，辦公居多，其計算樓面振動與目前2010版《高規》一樣，計算的是步行荷載對于樓蓋振動舒適性的要求，見于《高規》2010版3.7.7條及附錄A。但《高規》條文僅適用于步行激勵荷載產生的振動，對于間奏激勵荷載產生的振動未作規定，并不太適合體育館建筑的樓面舒適度計算。因此，樓面設計時參照ASIC11對于間奏激勵荷載分析的相關規定對樓蓋振動做了計算。

6結論

(1)結合現場勘察條件及使用功能，給出了多層體育館大跨度主體工程的體系選擇及設計，實現了業主對于室內空間的特殊使用要求。(2)對結構采用多軟件建模計算，充分考慮了樓面削弱對計算產生的影響，實現了計算模型與力學模型的一致。(3)對于重要構件采用擬彈性法實現了構件抗震性能設計，對重要構件進行了適當加強，提高了結構安全度。(4)對樓蓋結構采用目前較先進的樓面振動控制理論與方法進行了分析，并為使用過程舒適度的調整預留了荷載。

作者:潘浩 單位:福建清華建筑設計院有限公司