某体育馆的结构分析及优化

某体育馆的结构分析及优化

[摘要] 根据第九届北京高校建筑结构设计联赛(大跨组赛题)设计题目——北京建筑工程学院体育馆设计展开研究。结合建筑特点选取了结构形式——钢桁架,进行了结构布置,采用sap2000对体育馆进行建模分析,同时采用3d3s进行了结构优化,得到了合理的结构方案,研究成果可供中小型体育馆项目参考。

[关键词] 体育馆结构分析优化

1 引言

根据第九届北京高校建筑结构设计联赛(大跨组赛题)设计题目——北京建筑工程学院体育馆设计展开研究。

体育馆工程总用地面积:11643.8平方米;建筑面积:10280平方米(地上面积约8000平方米);体育馆长100m,宽70～85m,建筑控高:30米。建筑方案充分体现北京建筑工程学院辉煌的校史,蓬勃向上的发展前景,务实创新的学风,而且表达出“建工人”对于学校美好未来的寄语。该建筑贯彻了“绿色建筑”的设计原则,并且满足了全校师生举行大型室内集会、展示的建筑功能。本文重点对该建筑开展结构分析及优化,得到合理的结构设计方案,为类似工程提供借鉴。

2 结构分析

2.1结构布置。综合考虑建筑方案的特点及结构受力荷载,采用钢管桁架结构。桁架跨度65~80m,间距6m。桁架截面宽度2.5m,高度

3.5m,取节间长度3.5m,腹杆与弦杆的夹角30°～60°。为提高结构的整体性,增大刚度,在纵向设置四道联系桁架,两道位于柱顶,两道位于跨中;在两端及中部设置连接相邻两榀桁架上下弦节点的“X”形支撑。

2.2模型及荷载

2.2.1模型。将结构中的桁架拱、格构柱、纵向桁架、“X”形支撑按杆单元进行建模。

2.2.2荷载及其组合。(1)永久荷载。承重结构的自重(包括杆件及节点的自重)、屋面板及檩条的自重、马道、吊挂灯具及其他设备的自重。按从属面积折算荷载。

(2)可变荷载。活荷载:该屋面为不上人屋面,荷载标准值取0.5kN/m2,施加给上弦杆的活载标准值:0.5×4.5=2.25KN/m。雪荷载:其方向沿竖直方向,设计基准期为100年。风荷载1(横向加载):该结构重要性等级应为一级,设计基准期为100年。风荷载2(纵向加载):风荷载从面外加载到屋面上,垂直于每榀桁架的平面。由于本结构的纵向轮廓线是不规则的折线,从《建筑结构荷载规范》上不能确定其μ,在

实际工程中应通过风洞实验来确定其最终的可靠的μ,本文研究中通过加强结构纵向刚度,不考虑纵向加载的影响。(3)地震作用。按照《建筑抗震设计规范》GB50011—2001(2008年版)规定,本建筑为甲类建筑,建筑高度小于40m。北京市大兴区场地类别为Ⅱ类,地震分组为第一组,设计基本加速度值0.2g,抗震设防烈度为8度。由《钢结构设计规范》知:对于抗震设防烈度为8度的地区,考虑它的竖向地震作用。(4)温度作用。经查得:北京市的平均气温为11.8℃,最低气温为-12℃,最高气温为39℃。所以考虑正温差:39℃,负温差:-12℃。温度应力的作用,我们考虑温度的变化会在结构上产生内力,我们通过适当加大截面,来抵抗温度所产生的应力,同时,该结构是门式桁架结构,可以通过其变形来释放温度应力。(5)荷载组合。计算分析过程考虑了承载力极限状态下的有震、无震以及正常使用极限状态下共13种荷载组合:

对于承载能力极限状态(不考虑地震作用):1.1×(1.2×恒载+1.4×活荷载);1.1×(1.35×恒载+1.4×0.6×活荷载);1.1×(1.2×恒载+1.4×活荷载+1.4×0.6×正温);1.1×(1.2×恒载+1.4×活荷载+1.4×0.6×负温);1.1×(1.0×恒载+1.4×风荷载)(考虑风吸力的作用);1.1×(1.2×恒载+1.4×风荷载+1.4×0.6×正温);1.1×(1.2×恒载+1.4×活荷载+1.4×0.6×温(+30C));1.1×(1.2×恒载+1.4×0.6×风荷载+1.4×温(+30C));1.1×(1.2×恒载+1.4×活荷载+1.4×0.6×温(+30C)+1.3×0.6×水平地震作用);1.1×(1.0×恒载+1.4×风荷载+1.4×0.6×活荷载+1.4×0.6×正温),对于承载能力极限状态(考虑地震作用):1.2×恒载+1.3×水平地震,对于正常使用极限状态:1.0×恒载+0.6×风荷载+0.6×活荷载+0.6×正温,1.0×恒载+0.6×风荷载+0.6×活荷载+0.6×负温

2.3整体分析及设计。采用sap2000对结构整体分析,得到杆件最不利内力及结构最大变形。经过分析,该结构中间跨的中部为内力最大部分,上弦杆最大轴向压力为930.98KN,下弦杆最大轴向拉力为825.1KN,腹杆最大轴向压力为349.63KN。X方向上的最大节点位移为0.4cm,Y方向为0.67cm,Z方向为6.85cm。

3 结构优化

采用3d3s结构设计软件进行杆件、节点的对比分析,优化后的结构经济性显著。

3.1结构布置。在满足使用功能的前提下,采用合理的结构形式,可节约钢材。本次设计对承重结构的间距不同,对附属部分(如屋檩、墙梁等)用钢量的比较分析,降低结构总造价。

3.2杆件选择。经比较分析,结构中根据受力特点及需要,杆件采用的规格共6种,同时兼顾备料方便,外观区分度好,加工制作时不容易混淆。

3.3节点设计。通过比较焊接空心球节点与钢管相贯节点,结构总用钢量相差约10%～15%,因此设计中采用钢管相贯节点,节约钢材,降低整体的造价。统筹考虑对比分析,优化后的结构每平方米用钢量为40.2Kg,对中小型类似工程具有较强的竞争力,推广应用价值较高。

4 结语

通过对北京建筑工程学院体育馆的结构分析及优化:结构方案阶段应重视概念设计,如结构形式的选取,结构布置,经济跨度,截面尺寸等。对于钢管结构的优化应综合考虑结构的布置、杆件类型的归并及节点形式等。

参考文献:

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[3]《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)(2008年版);《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)(2008年版);《钢结构设计规范》(GB 50017—2003).

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