大跨度体育馆钢-混凝土混合结构设计与分析

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引言
本文以某大跨度钢混凝土体育馆为例， 采用整 体分析与局部分析相结合的方式， 探讨钢结构与混 凝土结构的协同工作机制， 为以后此种结构形式的 设计与分析提供参考依据。 1 工程概况 某大跨度体育馆建筑效果图如图 1 所示。总建
2 观众席固定座位 2 424 个， 活 筑面积约为 2. 2 万 m ，
+ 中图分类号： TU398 ． 9
文献标识码： A
848X（ 2014 ） 15002907 文章编号： 1002-
Design and analysis of largespan steelconcrete gymnasium structure
2 Wei Qiang1， ，Ni Xianguang1 ，Qi Zheng1
表1
温度 0. 6 × 1. 2 0. 6 × 1. 2 0. 3 × 1. 2 0. 3 × 1. 2 1. 2 1. 0 0. 2 × 1. 0 0. 2 × 1. 0
图2
体育馆 2 层平面布置图
图3
体育馆纵向剖面图
1 2 3 4 5 6 7 8
1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 0 1. 2 1. 2
— 1. 4 1. 4 — 0. 7 × 1. 4 1. 4 1. 4 0. 7 × 1. 4 — — — — — 0. 6 — 0. 6
第 44 卷 第 15 期
魏
强， 等． 大跨度体育馆钢混凝土混合结构设计与分析
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设计使用年限为 50 年； 建筑抗震设防分类为重点设 防（ 乙类） ； 地基基础 （ 桩基 ） 设计等级为甲级； 抗震 等级： 支承钢结构的混凝土柱、 环梁、 大跨度框架的 抗震等级为二级， 其余部分抗震等级为三级。 材料强度： 混凝土强度等级为 C30 ， 钢结构采用 Q345B 钢。 4. 2 结构控制标准 混凝土结构的位移、 轴压比、 配筋率、 配箍率、 剪 压比等各项指标按相关规范、 规程控制。 钢结构： 1 ） 变形指标： 钢屋盖跨中挠度控制为 L / 250 （ L 为钢屋盖短向跨度 ） ； 2 ） 动力特性指标： 钢 屋盖竖向自振频率控制 ≥1. 0Hz； 3 ） 长细比控制见 表 2， 支座附近杆件从严控制， 长细比限值取为 120 ； 4 ） 应力指标： 杆件最大组合设计应力不大于 0. 85 f（ f 为钢材设计强度 ） ， 支座附近杆件应力从严控制， 不 大于 0. 8 f。
［ 对某大跨度体育馆钢混凝土混合结构进行了结构分 摘要］ 采用整体建模计算与局部建模计算相结合的方式， 析和设计， 探讨了钢结构与混凝土结构协同工作机制 。 通过对 3 种模型计算结果的分析得出， 建立整体模型对于 整体结构设计而言是很有必要的， 而对于钢屋盖设计， 在合理考虑下部支撑以及支座刚度后， 可以单独建立模型进 行计算。大跨连续网架的大小跨相接位置的支座承受拉力， 可采用滑动球铰支座， 并重新定义支座水平刚度， 以修 正初始模型。钢屋盖对基础沉降比较敏感， 基础设计时遵循支撑钢屋盖的框架柱下多布桩 、 其余框架柱下尽量少 布桩的原则， 以减小支撑钢屋盖的框架柱基础的沉降值及相邻基础的沉降差 。 体育馆结构超长， 设计时考虑温度 作用对构件内力的影响， 采取了多种措施以减小温度作用和收缩变形对钢筋混凝土结构的不利影响 。 ［ 关键词］ 大跨度体育馆； 协同作用； 连续网架； 超长结构
（ 1 Shandong Tongyuan Design Group Co．，Ltd．，Jinan 250101 ，China； 2 Civil Engineering Department，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101 ，China） Abstract： In combination of an overall model and a local model calculation， a largespan steelconcrete gymnasium structure was analyzed and designed，and the cooperative work mechanism of steel structure and concrete structure was discussed． Based on the calculation results of three models，it is very necessary to establish an overall model for the overall structure design，and in the design of steel structure roof，in consideration of the lower support and bearing stiffness，it is feasible to establish a model individually． The cross connection of large and small span bears tensile stress in the largespan continuous truss structure，so the spheric hinge supports were adopted，and the bearing horizontal stiffness was redefined to revise the initial model． In consideration that the steel structure roof is relatively sensitive to the foundation settlement，a rule of more piles under frame columns supported by steel roof and less piles under the other frame columns applied in the design to reduce the foundation settlement values of the frame columns supported by steel roof and the differential settlements of adjacent foundations． Considering the superlong structure of the gymnasium and the effect of temperature on the component stress，many kinds of measurements were taken in the structural design to reduce the adverse effects of temperature and shrinkage deformation on the reinforced concrete structure． Keywords： largespan gymnasium； cooperative effect； continuous truss structure； superlong structure
Email： wq950059@ 126． com。 学士， 高级工程师， 作者简介： 魏强，
。
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建
筑
结
构
2014 年
《建筑抗震设计规范》 （ GB 50011 —2010 ） ［3］， 在规定 的水平力作用下， 结构底层的剪力墙部分承受的地 震倾覆 力 矩 占 结 构 总 地 震 倾 覆 力 矩 的 比 例 大 于 50% ， 使其形成框架剪力墙结构和两道抗震防线。 3 荷载条件 3. 1 荷载类型 根 据 《建 筑 结 构 荷 载 规 范 》（ GB 50009 —
图1 某大跨度体育馆建筑效果图
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结构选型
2012 ） ［4］， 附加恒载 （ 楼面 结构设计中考虑了自重、 2 2 荷载 2. 0kN / m ， 金属保温屋面 0. 9kN / m ） 、 活载、 马 活载按 1. 0kN / m ） 、 雪荷 道荷载（ 恒载按 1. 5kN / m， 。 载及风荷载 3. 2 地震作用 《体育馆地震安全评价报告 》 ， 根据 本工程按抗 震设防烈度 7 度（ 0. 1 g） 计算， 设计地震分组为第三 组， 场地类别为Ⅲ类。 3. 3 温度作用 拟建场地气象属于暖温带半湿润季风型大陆气 候， 一般是 1 月份最低， 月最低温度为 － 11℃ ； 7 月 份最高， 月最高温度为 36℃ 。 根据此气候情况， 对 本工程使用期间的温度限定如下： 对与外部环境直 接接触 的 钢 屋 盖， 取 最 低 温 度 － 11℃ ， 最高温度 36℃ ； 对钢筋混凝土主体结构， 考虑其处于有采暖的 室内环境中， 取最低温度 － 5℃ ， 最高温度 30℃ 。 根 ， 据工程工期安排 后浇带浇筑时间及钢结构合拢拼 装时间均在 10 月份， 暂定合拢温度为 （ 15 ± 5 ） ℃ 。 考虑混凝土徐变变形引起的构件应力松弛 ， 应力松 弛系数取 0. 3 。 温度作用取值如下： 与外部环境直 接接 触 的 钢 屋 盖 按 照 升 温 温 差 26℃ ， 降温温差 － 31℃ 计算温度应力； 考虑降温作用对混凝土结构 更为不利， 按照升温温差 20℃ ， 降温温差 － 15℃ 计 算下部混凝土结构温度应力。 本工程在进行承载力极限状态荷载效应设计及 正常使用极限状态荷载效应设计时， 考虑温度作用 荷载效应组合系数如表 1 所示。 4 结构设计、 控制标准 4. 1 结构设计标准及材料强度 结构设计标准： 建筑结构安全等级为一级； 结构
为降低工程造 在进行大跨度体育场馆设计时， 价， 在满足后期使用功能要求的基础上 ， 一般会采用 上部大跨度钢屋盖与下部混凝土结构相结合的混合 结构体系。在设计过程中， 一般都将此种结构体系 的上部钢结构与下部混凝土结构拆分开来进行单独 分析。这样的分析过程虽然能保证结构构件的设计 满足安全性的要求， 但是无法准确得出结构整体在 地震作用下的性能参数。特别是钢屋盖与混凝土的 连接部位， 由于无法精确模拟两部分的刚度及支座 约束， 使得计算结果与实际受力产生很大的差异 ， 影 响整体结构的安全性。 因此， 在满足构件设计要求 的同时， 需要对此种混合结构体系进行整体抗震性 能分析
考虑温度作用荷载效应组合系数
组合 恒载 活载 风荷载 水平地震 竖向地震 — — — — — — 1. 3 1. 3 — — — — — — — 0. 5
为满足建筑功能要求， 并考虑工程的经Baidu Nhomakorabea性， 体 育馆主体结构采用钢筋混凝土框架 剪力墙结构， 钢 屋盖采用正放四角锥网架形式和下弦支撑 ， 在体育 馆周圈和内部设混凝土框架柱， 在框架柱顶设置混 凝土环梁。 体育馆周围设间距为 4. 2m 的密柱， 截 400 × 1 000 ， 面尺寸为 南北入口大梁两侧框架柱截 面尺寸加大为 800 × 1 000 ， 体育馆内框架柱截面尺 800 × 900 ， 寸为 800 × 800 ， 看台下及电梯筒体剪力 墙厚度为 250mm， 其余剪力墙厚度为 300mm。 根据 下部结构布置及建筑功能分区， 钢屋盖共分为 8 个 连续区域， 最大跨度为 60. 8m × 75. 6m， 最小跨度为 8. 4m， 网架高度最大为 4. 0m， 最小为 2. 6m， 网架的 3 所示。 标准网格为 2. 8m × 2. 8m， 如图 2 ， 设计下部混凝土结构时， 在建筑四角、 看台下方 及南北入口台阶下方设置部分混凝土剪力墙 ， 根据
第 44 卷 第 15 期 2014 年 8 月上
建 筑 结 构 Building Structure
Vol． 44 No． 15 Aug． 2014
大跨度体育馆钢 - 混凝土混合结构设计与分析
1， 2 1 1 魏 强 ， 倪先光 ， 齐 政
（ 1 山东同圆设计集团有限公司，济南 250101 ； 2 山东建筑大学土木工程学院，济南 250101 ）
［1 ， 2 ］
动座位 1 594 个； 主席台座位 74 个。 体育馆东西长约 130m， 南北长约 86m， 建筑层 2 层为 数为地 上 3 层， 首 层 及 3 层 层 高 为 6. 0m， 5. 5m， 网架支座底标高为 18. 0m， 屋面为坡屋面 （ 结 构找坡） ， 最高点标高为 23. 6m。