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摘　要：大跨度空間結構是目前發(fā)展最快的結構類(lèi)型之一，其技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標準和建筑科技水平的重要標準之一。當跨度增大時(shí)，空間結構就越能顯示出其優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。近年來(lái)，大跨度空間結構設計的理論和技術(shù)水平得到了交大的提高。本文將對濰坊市體育中心—體育場(chǎng)的結構體系的設計進(jìn)行闡述，以期對類(lèi)似工程有參考作用。
關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼管桁架結構設計

     1、工程概況
      濰坊市體育中心—體育場(chǎng)項目是濰坊市為2009年第十一屆全國運動(dòng)會(huì )規劃建設的重點(diǎn)體育設施項目。體育場(chǎng)位于濰坊市濰城區的核心地區，北宮西街北側，安順路東側，臥龍街南側，清平路西側。
整個(gè)體育場(chǎng)為六層鋼筋混凝土框架結構，看臺共三層，看臺罩蓬為大跨度鋼桁架結構承重結構體系、鋁鎂錳直立鎖邊金屬板罩面。下面主要介紹看臺罩蓬的結構設計。

     體育場(chǎng)看臺罩蓬平面呈橢圓形，屋蓋為四分之一圓弧形，長(cháng)軸263米，短軸240米，東西側設有落地拱形金屬拱形屋蓋，覆蓋整個(gè)東西兩側觀(guān)眾席，落地拱長(cháng)300米，最大進(jìn)深63.5米，落地拱高70米，看臺最高點(diǎn)標高35.4m,金屬屋面高57米?？磁_罩蓬面積約為20000平方米。全場(chǎng)可容納觀(guān)眾約45000人。見(jiàn)圖1
 

濰坊市體育中心—體育場(chǎng)效果圖
 

2、結構概況
     體育場(chǎng)看臺罩蓬結構體系可分為縱，橫向結構體系，縱向結構體系為單榀曲面拱形管桁架，桁架跨度L=300米，矢高f=70米，矢跨比f(wàn)/L=1/42.8,較一般桁架矢跨大，剛度較好，桁架橫截面為三根鋼管弦桿組成的正三角形，單?鋼管軸線(xiàn)平面投影為曲線(xiàn)，與平行拱相比，其建筑造型更為優(yōu)美。橫向結構體系為跨度為約27米~63.5米不等的18榀懸挑剛架和7道縱向環(huán)梁。各剛架之間的間距為8米~10.5米不等。剛架梁和剛架柱都為單根鋼管，梁和柱平面內設置斜撐，斜撐上點(diǎn)約在距梁柱節點(diǎn)5米處，下點(diǎn)位于柱腳處?？v向環(huán)梁為單根鋼管，剛接在剛架梁上，同時(shí)可作為鋼架梁的平面外支撐，保證剛架的側向穩定和剛架的整體穩定。每榀剛架與拱形桁架的平面內設置兩根鋼拉桿和一根斜撐，拉桿上節點(diǎn)在桁架的上弦節點(diǎn)，下拉點(diǎn)在剛架的前懸挑端4~6米處，斜撐上拉點(diǎn)位于近剛架內側桁架上弦節點(diǎn)，下拉點(diǎn)在剛架的前懸挑端約15米處。連接節點(diǎn)均考慮為剛性連接。所有桿件均采用直縫焊管，節點(diǎn)均為相貫面焊接。該結構由拱形桁架，懸挑剛架和環(huán)梁通過(guò)鋼拉桿和斜撐連接在一起，形成一個(gè)完整的自平衡體系，同時(shí)兩種結構體系的相互作用，使兩者具有變形協(xié)調的關(guān)系，較好地控制了結構體型的變形，不僅大幅度降低了剛架的豎向撓度，而且有效提高了結構的穩定承載力。同時(shí)，簡(jiǎn)潔有序的幾何構形同時(shí)取得了建筑美學(xué)效果。由于體育場(chǎng)看臺罩蓬的橫結構體系類(lèi)似于平面受力體系，由拱形桁架，剛架,和縱向環(huán)梁和拉桿組成的構件，在縱橫向有較大的剛度。該結構具有結構輕盈，鋼結構構件類(lèi)型少的特點(diǎn)，具體結構平面圖和剖面圖布置如下：見(jiàn)圖2，圖3
 

3、 荷載和作用
     3.1設計使用年限與安全等級圖
     按照相關(guān)要求和設計規范，結構耐久性設計年限為50年，設計基準期為50年，結構重要性系數為1.0，建筑耐火等級為一級?？磁_罩蓬鋼結構的安全等級提高為一級，結構重要性系數為1.1。
     3.2恒荷載與活荷載
     恒荷載包括結構自重，屋面檁條，屋面板以及涂層和焊縫的質(zhì)量。其中結構構件自重由輔助計算的程序自動(dòng)計算，其他恒荷載按面荷載0.4kN/m2考慮?；詈奢d按面荷載0.4kN/m2考慮，考慮屋面活荷載分布不均勻性的影響，設計時(shí)采用半跨活荷載考慮其不利影響。
     3.3 地震作用
     抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.15g,設計地震分組為第一組，建筑抗震設防為乙類(lèi)，設計基準期為50年?？辈靾蟾骘@示該地區場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，特征周期值為0.35S，上部看臺罩蓬鋼結構阻尼比為0.2。
     3.4 風(fēng)荷載  
     根據GB50009-2001 《建筑結構荷載規范》（2006年版），本工程取50年一遇的基本風(fēng)壓W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)。由于結構為大跨度結構，周邊基本敞開(kāi)未封閉，其上下表面均受風(fēng)的作用，風(fēng)荷載分布較為復雜，通過(guò)比較，風(fēng)向角為0°，45°，60°，90°時(shí)風(fēng)的分布對結構設計最為不利。風(fēng)壓高度變化系數由程序自動(dòng)計算，設計時(shí)取風(fēng)振系數為1.6。
     3.5荷載工況組合
     結構設計組合考慮了正負30度溫差效應，水平地震，各風(fēng)向角等工況，采用的荷載工況組合形式共計50多種，溫度效應對大跨度空間結構影響較大，而現規范對溫差效應無(wú)明確規定，根據現有的研究成果及參考相應規范，承載能力極限狀態(tài)荷載效應組合時(shí)，溫度效應組合系數取1.2，考慮到最不利溫差與活荷載，地震，風(fēng)，雪等作用同時(shí)發(fā)生的可能性很小，與上述荷載組合時(shí)組合系數取0.6，正常使用狀態(tài)組合時(shí)組合系數取1.0恒載+1.0溫差效應。對于正常使用極限狀態(tài)，計算結構位移取標準組合。

四、結構整體計算與設計
     通過(guò)CAD為操作平臺，根據實(shí)際結構中個(gè)桿件的空間位置建立模型，其整體模型如下圖，(見(jiàn)圖4)再根據上述條件，荷載及組合對結構進(jìn)行整體計算，由計算確定的主要結構桿件截面如下：1）拱形管桁架部分：上弦截面尺寸為￠711x16,下弦截面尺寸為￠801x16, 靠近拱腳部位腹桿截面尺寸為￠508x16, 中間腹桿截面尺寸為￠355x10,拉桿和斜撐截面尺寸分別為￠457x12, ￠508x16。2）剛架部分：1~3榀柱和梁截面尺寸均為￠801x20,斜撐截面尺寸為￠610x16, 4~6榀柱和梁截面尺寸分別為￠801x20和￠912x20,斜撐截面尺寸為￠610x16,7~9榀梁和柱截面尺寸分別為￠912x20和￠910x20, 斜撐截面尺寸為￠865x20。3）屋面環(huán)梁截面尺寸均為￠560x16。以上所有桿件材質(zhì)均為Q345C，工程采用同濟大學(xué)的3D3S9.0結構設計軟件對看臺罩蓬鋼結構和單元構件進(jìn)行了整體分析計算,其分析 結果如下：
 

 
大跨度屋蓋結構 三維軸側圖
 

     4.1結構振動(dòng)特性
     表一  結構自振周期
 

     可以看出鋼罩蓬結構的前三階振型以整體平動(dòng)和豎向振動(dòng)為主，第一振型為橫向平動(dòng)，周期為0.7968s,說(shuō)明豎向剛度較大而水平剛度較小，第二振型為整體豎向振動(dòng)，說(shuō)明結構的整體性能較好，第三振型為屋蓋彎曲變形振動(dòng)，彎曲變形振動(dòng)形式嚴格按照對稱(chēng)布置，周期為0.6026s,其后頻譜較密集，結構整體性強，局部振型不明顯。表明結構的整體剛度大，剛度和質(zhì)量分布均勻。

大跨度屋蓋結構 剛接支座圖


大跨度屋蓋結構 滾軸支座