1 工程概况

　　 毕节体育场是毕节金海湖新区体育“一场两馆”项目的三个单体之一,该项目位于贵州省毕节市,项目包括体育场、体育馆和游泳馆。体育场共计29 650座,总建筑面积49 664m²,地上三层,无地下室。平面上接近椭圆形(由四段圆弧组成),下部混凝土结构平面尺寸约为345.0m×265.6m,钢结构屋盖外轮廓尺寸为272.8m×221.8m。体育场效果图和结构三维示意图见图1,2。

　　 图1 体育场效果图   

　　 图2 体育场结构三维示意图   

　　 毕节体育场的屋盖结构是基于建筑师马鞍形曲面的设计构思发展起来的,钢结构屋盖外侧为整个体育场的幕墙。一层室外地坪标高-0.300m,下部混凝土结构顶标高+24.560m,采用框架结构,嵌固端设置于承台顶; 而上部钢结构屋盖结构则铰接支承于混凝土+6.000m标高大平台,外立面呈现马鞍形,高区顶标高+42.000m,钢结构悬挑长度为30.4～37.6m,采用空间钢管桁架体系,屋面及周侧围护体系分区域采用阳光板、直立锁边金属屋面和格栅。体育场剖面图见图3,4。

　　 图3 体育场结构纵剖面示意图   

　　 图4 体育场结构横剖面示意图   

2 屋盖钢结构体系

　　 根据以往的工程实践经验 ^[1,2,3],毕节体育场屋盖钢结构采用空间钢管桁架体系,由38榀桁架构成,屋盖钢结构三维示意图见图5。整个钢结构屋盖与下部混凝土看台完全脱开,与看台间未设置竖向支撑,仅通过脚部的38个成品球铰支座铰接支承于下部混凝土柱顶,独自站立。结构体系剖面示意图见图6。体系的布置贴合建筑外立面造型,桁架外表面杆件可作为外幕墙体系主龙骨,从而达到简化、隐藏次结构构件的目的。

　　 图5 屋盖钢结构三维示意图 

　　 图6 结构体系剖面示意图

　　 图7 单榀“桁架”示意图   

　　 图8 屋盖钢结构局部示意图  

　　 屋盖体系中,每个单榀桁架由两根上弦杆和一根下弦杆构成,中间通过斜腹杆进行连接。从低跨至高跨,屋面转折处桁架矢高从5m至6m过渡。有别于常见桁架的是,体育场单榀桁架的两根上弦杆交叉汇聚,使桁架呈现类似“DNA”造型(图7)。特殊的造型,也使得相邻桁架间的上弦杆形成“交叉撑”式传力路径(图8)。

　　 此外,内压环和其余8道“环向箍”连接杆有效地形成“环箍作用”,同时也与相邻桁架上弦杆一起形成“交叉撑作用”,使屋盖具有非常大的面内刚度。配合下弦杆、连接腹杆以及底部沿大平台周圈弧形布置的球铰支座,体系拥有较强的平面内外刚度,赋予了屋盖钢结构足够的承载力、刚度以及很强的抗连续倒塌能力(任意相连的三榀即可形成二次完整的传力路径) ^[4]。

　　 设计中,上、下弦杆分别采用ϕ406×14,ϕ457×16圆钢管,内压环、外拉环分别采用ϕ610×20和ϕ508×20圆钢管。钢结构屋盖底部成品球铰支座设计压力为4 000kN,水平剪力2 000kN,最大容许转角0.04rad; 同时,兼顾考虑施工和使用中的安全性,支座考虑了300kN的容许拉力。

3 结构设计与分析

3.1 基本设计参数

　　 毕节体育场屋盖钢结构设计使用年限为50年,安全等级为一级(结构重要性系数γ₀=1.1)。项目位于贵州省毕节市金海湖新区,根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50233—2008),体育场按抗震重要性类别划分为重点设防类(乙类)建筑,按本地区6度设防烈度提高一度采取抗震措施,地震作用仍按6度计算:设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第二组,场地土类别为Ⅱ类,特征周期值T_g=0.40s ^[5]。

　　 分析中,采用钢结构单体模型和混凝土+钢结构的拼装模型,并相互对比。在屋盖钢结构单体设计中,考虑钢结构坐落于混凝土结构+6.000m标高柱顶支座上,而非±0.000地面,利用混凝土+钢结构的整体拼装模型进行时程分析,提取+6.000m标高处支承钢立柱的混凝土柱顶最大加速度峰值,如图9所示。

　　 图9 整体模型中钢柱底峰值加速度  

　　 由图9可知,各地震时程下,+6.000m标高处钢柱底的最大加速度峰值为34.7cm/s²,相对地面最大加速度峰值(18cm/s²)放大了约1.93倍。因此,单体设计中,钢结构计算模型的地震效应选取2.0的放大系数:按小震计算时,所选取的地震最大影响系数α_max=0.04×2.0=0.08; 对于竖向地震,取竖向地震最大影响系数α_vmax=0.65α_max=0.052。

3.2 风荷载计算

　　 本项目中,体育场上部大跨度钢结构屋盖对风荷载敏感,实体风洞模型见图10。风荷载体型系数、风振系数等计算参数依据数值风洞计算以及实体风洞结果取值。试验中,风向角间隔10°,共36个角度,刚性模型的几何缩尺为1∶300,在屋面和侧立面共设置1 016个内外测压点,基本风压按100年重现期取值为0.35N/m²,地面粗糙度为B类 ^[6]。设计中,选取其中最不利的12个风向角进行分析。

　　 图10 实体风洞模型   

3.3 承载力极限状态和正常使用极限状态分析

　　 屋盖钢结构的计算,采用MIDAS软件进行。采用Ritz向量法进行模态分析,考虑的振型数量为90个,累计的质量参与系数SumU_x为99.7%,SumU_y为99.6%,SumU_z为98.9%。前15阶的周期变化如图11所示,结构的基本周期为1.39s,对应的自振频率为0.72Hz。屋盖钢结构前6阶振型图如图12所示。

　　 图11 屋盖钢结构自振周期变化曲线   

　　 图12 屋盖钢结构振型图   

　　 图13 屋盖钢结构构件应力比分布图   

　　 设计中,考虑恒载、活载、风荷载、温度作用、水平及竖向地震作用的组合,并考虑了杆件的稳定因素。得到的屋盖结构构件最大的应力比为0.87(图13),满足规范的要求。

　　 在荷载标准组合1.0D+1.0L下,屋盖的最大竖向位移分布如图14(a)所示。结构最大位移出现在45°附近的内环处,为-150mm,按悬臂长度2倍考虑后的挠跨比为150/(2×34 000)=1/453<1/400,满足规范要求。

　　 在重力荷载代表值和多遇竖向地震作用标准值(1.0G+1.0E_z)下,结构的最大竖向位移分布如图14(b)所示。结构最大位移同样出现在45°附近的内环处,最大竖向位移为-119mm,按悬臂长度考虑的挠跨比为119/34 000=1/285<1/125,满足规范要求。

4 稳定分析

　　 体育场钢结构屋盖采用空间管桁架体系,其稳定敏感性比较高,存在整体失稳(包括局部失稳)的可能性,故对各不利工况分别进行稳定验算。

　　 设计中,分别针对各不利工况的标准组合进行静力屈曲分析,考虑到体系对活荷载不利布置的敏感性,分析中兼顾考虑半跨活荷载的不利布置。分别按各自的前两阶屈曲模态赋予体系整体跨度1/300的初始缺陷,并利用MIDAS Gen分别进行几何非线性稳定分析。分析中,分别以钢结构屋盖内环中3个典型节点作为监控位移点 ^[7]。

　　 图14 位移分布图/mm   

　　 图15 1.0D+1.0L下屈曲模态   

　　 图16 典型节点竖向位移-荷载曲线  

　　 其中,在1.0D+1.0L的荷载组合下,计算得到的结构第一阶屈曲因子为7.63,第二阶屈曲因子为8.92,对应的屈曲模态如图15所示。

　　 分别按前两阶屈曲模态,赋予上述初始缺陷,并进行几何非线性稳定分析,分别取长跨梢部节点、45°梢部节点、短跨梢部节点(即节点1～3)作为典型节点,对应的典型节点荷载-位移曲线分别如图16所示。结构达到稳定性极限承载力时,其承载力临界系数K>4.2,满足规范的相关要求。在其余的不利组合下,也同样是满足相应承载力要求的。

5 节点设计与分析

　　 项目中,由于钢结构为圆钢管构件,节点均采用相贯焊的形式。

　　 屋盖钢结构内压环与径向桁架的连接节点为多管交汇的节点,且内压环为体系的关键杆件,并且在作为相贯主管时受力较大,因此设计中对内压环相应位置进行了加强处理 ^[8]。不同于规范所给的横向加劲肋、外贴板的加强方式,项目中为了避免加工的复杂性、尽可能提高加强措施的效率,采取了增设内置纵向加劲板的方式。在腰环节点处,连接杆件同样相对较多(7根杆件交汇),且受力复杂,故在腰环相应位置处也增设了内置纵向加劲板,同时将腰环作为相贯焊的主管。主要的做法示意如图17所示。

　　 对于连接节点的分析,屋盖钢结构采用Q345钢材,其屈服强度标准值为345N/mm²,弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.30,分析中考虑材料非线性和节点区域的几何非线性。

　　 节点分析结果如图18、图19所示。对于内压环处节点,出现的最大应力约为317.7MPa,腰环处节点出现的最大应力约为344.9MPa,两种均仅出现在主次管交界的局部细微区域,节点绝大部分区域应力在295MPa以下。故节点在各基本组合工况下,仍能处于弹性工作状态,满足受力和项目中性能目标的要求。

　　 图17 典型节点示意  

　　 图18 内压环处节点受力分析/MPa   

　　 图19 腰环处节点受力分析/MPa  

6 结论

　　 毕节体育场采用空间钢管桁架体系,屋盖与下部混凝土看台完全脱开,未设置竖向支撑,仅通过脚部的38个成品球铰支座铰接支承于下部混凝土柱顶。体系中上层斜杆形成“交叉撑”的传力路劲,增加结构效率的同时,增强了结构的抗连续倒塌能力。通过分析得到如下结论:

　　 (1)利用MIDAS Gen软件对屋盖钢构件进行了设计验算,分析中提取整体模型中钢柱脚处加速度峰值来拟合屋盖钢结构非坐落于地面引起的地震放大作用。验算结果表明,在各不利工况组合下,结构构件最大应力比为0.87,1.0D+1.0L荷载组合下结构最大挠跨比1/453(跨度按悬臂长度2倍考虑),1.0G+1.0E_z荷载组合下结构挠跨比为1/285(跨度按实际悬臂长度考虑),均满足规范要求。

　　 (2)结构的稳定性分析表明,结构在分别按第一阶和第二阶屈曲模态考虑初始缺陷后,结构在非线性稳定分析中具有较高的稳定承载能力,体系的稳定性能较高。

　　 (3)屋盖钢结构的节点采用相贯焊的形式,对于内压环和腰环处,由于节点形式的复杂以及其在体系受力中的关键作用,采用了设置纵向内加劲肋的加强方法。有限元分析表明,在各基本组合工况下,节点仍能处于弹性工作状态,满足受力和项目中性能目标的要求。