大跨网架屋盖综合体育馆结构设计分析

大跨网架屋盖综合体育馆结构设计分析

摘要：笔者以永州市道县一种体育馆作为研究对象，由于该体育馆屋盖横跨

水平跨度较大，整体采用框架剪力墙结构和钢筋结构，为优化体育馆设计效果，

应用有限元软件不断提升其结构设计模式，确保体育馆支座节点受力效果以及稳

定性，保障体育馆屋盖结构满足施工要求。

关键词：大跨空间结构；网架；稳定；支座；节点；抗连续倒塌

一、工程概况

永州市一中体育馆设计规模为大中型体育馆，设计使用寿命为50年，占地

面积约为13142㎡，设计观众座席数量约为3050，层高2层，拥有停车位114个，主体结构采用框架剪力墙和钢结构，地震抗震烈度为6级[1]。

二、体育馆结构设计

（一）结构体系设计

永州市道县一中体育馆屋盖主体采用网架结构，其中上层金属屋面采用金属

铝板材料，整体的结构类型比较复杂。该体育馆屋盖呈现“中间厚，两边薄”的

特征，其中中间部分厚度约为30米，两边最薄处厚度为3米，网架横向跨度

60.2米，纵向跨度为100.1米，体育馆网架剖面图如下图1所示，体育馆网架结

构材料为碳素结构钢[2]。

图1体育馆网络架剖面图

（二）荷载设计

参考该体育馆网架结构材质和材料自重因素，设计人员设计上弦恒载值为

0.75kN/m2，下弦恒载数值为 0.5kN/m2。由于该体育馆的金属屋面顶层无座位，

在不考虑其他因素的条件下，可以将上弦的检修荷载参数控制在0.5kN/m2以内，

针对下弦荷载参数进行设计时，要参考通风管道、消防喷淋设备等因素，将其参

数设置为0.5kN/m2，同时还要在该部分预留吊挂装置荷载承受区间[3]。针对体育

馆风荷载进行设计的过程中，由于体育馆屋盖结构类型特殊，非常容易受到风荷

载因素影响。根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009— 2012) 中的标准规定

可知，针对体育馆风荷载参数进行确定时要提前开展风洞实验，待明确屋盖表层

风压分布特征后方能开展后续设计工作。道县一中体育馆委托专门的检验团队对

体育馆屋盖开展风洞实验，计算风压如下：

0.75kN/m2

即50年一遇强烈大风会对屋盖结构稳定性造成影响。开展风洞实验的过程中，分别以36个不同风向作为实验对象，通过实验得出体育馆大跨度屋盖结构

等效静风荷，将其作为设计风荷载开展后续的设计规划工作。

（三）支座刚度选取

中学体育馆屋盖底部支座采用结构柱进行支撑，设计人员在初期设计阶段针

对网架结构展开初步参数测算的过程中，预设采用铰支座结构构建体育馆底部支座，但是受底部支撑柱刚度因素影响，导致初期测算网架结构钢材料数量超标。

鉴于此，针对体育馆悬臂柱结构体系进行支座设计时，要求柱底弯矩参数必须同

柱顶剪力参数呈正比例关系。根据测算可知，体育馆支座水平反力数值为5000kN，由此可推断柱底弯矩参数[4]。在不考虑混凝土柱抗弯剪力的前提条件下，如果柱

截面积过大，则难以发挥柱支撑作用。如果柱支座水平反力参数过高，会对后期

的支座预埋件设计工作产生负面影响。受温度、地质结构等因素影响，会大幅提

升支座反力。由于体育馆网架跨度超过100米，容易受温度因素影响产生形变。

此外，由于体育馆下部结构支柱到柱顶部高度不足3米，增加柱子水平刚度，如

果应用铰支座则难以集中支座区域应力，也无法抵消支座上方网架的变形，进而对体育馆项目整体的施工效果产生负面影响。

结合以上分析，建议设计人员将原有的网架支座改为弹性球铰支座。该支座材料不仅可以减少水平刚度对支座支撑效果的干扰，同时也可以有效抵消网架结构在高温下产生的温度内力。一般情况下，弹性球铰支座的水平刚度参数范围如下：1~ 10kN/mm[5]。在计算支座刚度参数的过程中，应参考对应的模型公式，根据模型进行参数计算的过程中，重点针对支柱下部支承刚度参数进行计算，同时还要参考不同支座刚度，将不同区域支座刚度联系起来作为边界条件进行计算，计算公式如下：

在该公式中，R柱代表底部混凝土柱刚度参数， R支则表示选定的支座刚度参数，通过计算得出该体育馆网架结构支座水平刚度6kN/mm，支座相对位移4.6厘米。

（四）柱位优化

考虑到中学体育馆建成后应用范围较广，对整体的室内空间结构建设要求较高。该体育馆的屋盖柱点支撑部分分布为场馆周围。为充分发挥体育馆空间结构功能，可将体育馆屋盖作周围的支撑网架结构。在设计施工方案时，设计人员要求将全部混凝土柱作为屋盖结构支承。结合实际的施工设计方案针对体育馆网架结构进行计算和分析时，仅参考网架结构杆件受力情况不考虑网架结构因应力产生的弯矩力[6]。

该体育馆屋盖网架杆件截面型号参数如下：φ75.5~φ325，设计人员根据现场实际情况对其进行分组计算，在实际计算过程中应严格控制杆件的应力比。在设计阶段，设计人员可应用满应力设计技术不断调整网架结构杆件截面面积。经过计算得出，杆件最高应力比数值为0.95，这部分杆件占比仅为2%，剩余杆件应力比参数范围为0.5-0.8以内。该体育馆网架结构杆件总重量超过485吨[7]。

体育馆网架结构应力最高部分主要位于网架结构跨中以及支座部分。由于该

体育馆支承座水平方向和垂直方向分布不均，设计人员可参考网架结构布置情况，适当降低不同方向杆件支承刚度，对部分混凝土的支承条件进行优化和改善。如

下图2所示，为设计人员已经调整后的混凝土柱位置，其中没有填充的圆框代表

调整后的柱支承。

图2调整后的柱支承

对柱支承进行调整后，设计人员重新对网架结构支撑刚度和应力比进行计算，得出杆件最高应力比为0.8，多数杆件应力比参数集中在0.6-0.9以内。对比原

来的设计方案，虽然增加了部分钢材用量，但是支座数量大幅减少，整体降低了

体育馆工程项目成本造价，具有较好的经济效益和应用效益。除此之外，减少柱

支撑后，整体拓宽了体育馆内部空间，也缩短了部分施工流程和环节，大幅提升

了工程项目施工进度。

三、中学体育馆稳定性分析

（一）模型概述

根据《空间网络结构技术规程》中的相关标准可知，为保障体育馆网架结构

的稳定性，需要针对单层网壳稳定性进行测试和分析，由于本体育馆网架结构跨

度较长，其悬挑部分为异形结构，需要对网架结构的稳定性开展补充计算，由于

大跨度空间结构垂直方向存在一定的屈曲，增加稳定性计算难度，计算内容主要

包括网架结构和下部支撑柱刚度参数。

如下表1所示，为计算周期对比表。