摘 要：廣州市花都東風(fēng)體育館采用肋環(huán)型穹頂結(jié)構(gòu)體系，由徑向空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在三角桁架外側(cè)的上下弦桿中布置預(yù)應(yīng)力拉索以平衡上部屋面結(jié)構(gòu)向外的水平力，減輕下部支撐結(jié)構(gòu)的負擔(dān)；受拉圈梁支承于環(huán)向布置的人字柱；通廊部分的主要結(jié)構(gòu)為Y型環(huán)向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。計算分析表明：環(huán)向預(yù)應(yīng)力的布置使屋蓋部分結(jié)構(gòu)基本處于結(jié)構(gòu)自平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)自重得以減輕，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效果。
關(guān)鍵詞：大跨度鋼結(jié)構(gòu)；環(huán)向預(yù)應(yīng)力；萬向銷軸鉸支座
1 工程概況
廣州市花都區(qū)東風(fēng)體育館工程建設(shè)場地位于花都汽車城風(fēng)神大道的南側(cè)，康體公園（飛鵝嶺）的北側(cè)。本工程主要包括比賽館和訓(xùn)練館(不設(shè)地下室)。比賽館地上四層，固定席位7780個；訓(xùn)練館為地上二層（二層樓面結(jié)構(gòu)標高5.450m）。建筑基底面積21685㎡ ，總建筑面積37516㎡，工程總投資約4.1億。建成后還將與其南側(cè)計劃興建的康體公園融為一體，亞運會后將成為花都中心城區(qū)西部文化體育中心，同時也可以成為汽車城工業(yè)產(chǎn)品的展覽展銷平臺，充分發(fā)揮該場館的賽后作用。
兩館下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由框架柱支承鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。本工程總用鋼量約2800t，其中比賽館約2200t，屋蓋主體結(jié)構(gòu)用鋼量87kg/㎡；訓(xùn)練館約600t，屋蓋主體結(jié)構(gòu)用鋼量75kg/㎡。
本文主要介紹比賽館的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計情況。
圖1 花都東風(fēng)體育館效果圖
圖2 花都東風(fēng)體育館室內(nèi)實景圖
2 結(jié)構(gòu)選型及布置
花都東風(fēng)體育館比賽館平面為圓形，結(jié)構(gòu)雙軸對稱。由兩圈鋼管柱支承，分別分布在直徑為97.2m和116m的圓上，屋蓋高為33.1m。矢高約27m，內(nèi)圈矢跨比為1/8.8。屋蓋采用肋環(huán)型穹頂結(jié)構(gòu)體系，由徑向變高度、變厚度空腹剛架與環(huán)向桁架組成球面網(wǎng)殼，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁為倒三角桁架，在外側(cè)的上下弦桿中布置預(yù)應(yīng)力拉索以平衡上部屋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力，減輕下部支撐結(jié)構(gòu)的負擔(dān)；底部受拉圈梁支承于環(huán)向布置的V字柱上，柱頂節(jié)點采用鑄鋼件，柱腳采用銷軸支座，釋放徑向轉(zhuǎn)角；觀眾休息大廳主要結(jié)構(gòu)為Y型環(huán)向布置的人字柱，柱腳為萬向鉸支座。V字柱柱腳支撐于11.690m的混凝土圈梁上，Y型環(huán)向布置的人字柱支撐于下部5.450m混凝土平臺上。
訓(xùn)練館平面為圓形，結(jié)構(gòu)總高度17.6m，跨度56m，矢高11.5m，矢跨比1/5。因為訓(xùn)練館內(nèi)吊掛荷載無特殊要求且跨度未超60m，因此訓(xùn)練館屋蓋采用由徑向箱型鋼梁、環(huán)向箱型鋼梁和支撐組成單層空間球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。柱腳采用銷軸連接，徑向釋放轉(zhuǎn)角。
比賽館具體結(jié)構(gòu)布置如下圖3
圖3 花都東風(fēng)體育館鋼結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖
圖4 廣州市花都東風(fēng)體育館鋼結(jié)構(gòu)主桁架剖面圖
圖5 訓(xùn)練館基本受力單元
圖6 人字柱實景圖
3 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計等級
建筑結(jié)構(gòu)的安全等級：一級;結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0＝1.1。
建筑抗震設(shè)防類別：乙類，設(shè)計地震分組為第一組。
建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火等級：二級.
3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計年限
結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。
3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載或作用
抗震設(shè)防基本烈度為6度，需根據(jù)擬建場地安評報告取用相應(yīng)的地震作用。
基本風(fēng)壓：50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.50kN/m2，用于正常使用極限狀態(tài)驗算；100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.60kN/m2，用于承載能力極限狀態(tài)驗算；地面粗糙度為B類；風(fēng)荷載作用取值依據(jù)風(fēng)洞試驗。計算中取其中8個風(fēng)向角作用下風(fēng)荷載進行計算。
屋面附加恒載：0.65kN/㎡；
馬道荷載：包括馬道自重、強電燈具等；
屋面活荷載：0.5kN/m2；
對室內(nèi)超長的混凝土結(jié)構(gòu)取整體溫差±15°;
對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋取整體設(shè)計溫差溫差：±30°；同時考慮局部溫差±5°進行溫度作用分析。
3.4 結(jié)構(gòu)分析軟件及用途：
SATWE\下部結(jié)構(gòu)的混凝土部分分析計算及配筋;
MIDAS\上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的計算分析、整體模型的計算分析、模態(tài)分析、屈曲分析、非線性分析、時程分析等;
ANSYS\節(jié)點計算分析、整體穩(wěn)定性分析.
4 分析結(jié)果
4.1 模態(tài)分析
結(jié)構(gòu)動力分析是衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度布置是否合理的重要指標。通過對整個結(jié)構(gòu)進行自振動分析可以看出：1) 前幾階振型均為豎向振型且自振頻率密集；2) 結(jié)構(gòu)振型以中間大跨穹頂?shù)呢Q向振動為主，說明豎向結(jié)構(gòu)剛度較弱；這些特點與其它大跨空間結(jié)構(gòu)非常一致。
圖7 廣州市花都東風(fēng)體育館模態(tài)分析結(jié)果
4.2 非線性屈曲分析
圖8 第一階屈曲模態(tài)
《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.1規(guī)定結(jié)構(gòu)厚度較薄的雙層網(wǎng)殼應(yīng)做穩(wěn)定性計算。結(jié)構(gòu)厚度較薄的雙層網(wǎng)殼對缺陷亦較敏感，故應(yīng)進行非線性全過程分析。考慮初始缺陷的穩(wěn)定分析：根據(jù)特征值屈曲分析結(jié)果，取第一階模態(tài)作為初始缺陷的1/300進行幾何非線性荷載-位移的全過程分析。第一階屈曲荷載系數(shù)為7.5x0.85=6.375滿足網(wǎng)殼規(guī)范中穩(wěn)定系數(shù)大于5得要求。
4.3 多遇地震作用下彈性時程分析
選用下列兩條實際場地波和一條人工波采用一維輸入（X，Y向分別作用）：
SH1 ELCENTRO，加速度峰值：341.7cm/s2；
SH2 蘭州波1， 加速度峰值：196.2341.7cm/s2；
SH3 場地地震安全性評價報告提供的人工波，加速度峰值：27.75341.7cm/s2；
選取地震波的最大加速度值調(diào)整為多遇地震的最大值27.75gal，進行結(jié)構(gòu)的彈性時程分析。地震作用內(nèi)力見下表1。
表1 地震作用內(nèi)力
通過對比反應(yīng)譜分析和時程分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，總體來說：反應(yīng)譜分析所得底部剪力小；整體位移：X向地震作用時，時程分析結(jié)構(gòu)位移較反應(yīng)譜分析略大；Y向地震作用時，時程分析和反應(yīng)譜分析所的結(jié)構(gòu)位移接近；補充對結(jié)構(gòu)進行時程分析設(shè)計計算，各地震波采用三維輸入:SH(Y向)+0.85SH(X向)+0.65SH(Z向)。
圖9 SH1（X向作用）－5235節(jié)點位移時程曲線
圖10 SH1（Y向作用）－7258節(jié)點位移時程曲線
4.4 中震彈性計算分析
中震彈性采用反應(yīng)譜法進行計算分析。反應(yīng)譜法采用在定義相應(yīng)的小震反應(yīng)譜基礎(chǔ)上輸入放大系數(shù)3.72（即0.05×3.72＝0.186），使地震影響系數(shù)最大值為0.186；
經(jīng)過計算分析，整體結(jié)構(gòu)在中震反應(yīng)譜和中震時程的作用下，結(jié)構(gòu)包絡(luò)位移為86mm，屋面構(gòu)件包絡(luò)應(yīng)力比0.84，大門立柱包絡(luò)應(yīng)力比0.3；結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)抗震性能良好。
5 節(jié)點設(shè)計
5.1萬向銷軸支座節(jié)點
比賽館外圈萬向鉸支座節(jié)點。該節(jié)點由銷軸和關(guān)節(jié)軸承組合而成。關(guān)節(jié)軸承主要應(yīng)用于機械設(shè)計制造領(lǐng)域，目前在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，無相關(guān)的規(guī)范可以參照。該支座節(jié)點的設(shè)計應(yīng)確保結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角進行完全釋放；并能夠傳遞軸力和剪力。設(shè)計中對這個節(jié)點考慮一定的安全儲備，并且同時滿足建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范和機械設(shè)計制造方面的規(guī)范規(guī)定；然后采用節(jié)點足尺模型試驗進行驗證。通過節(jié)點試驗和工程實踐，證明該節(jié)點完全滿足設(shè)計要求。
圖11 外圈萬向支座節(jié)點詳圖
5.2 內(nèi)圈銷軸節(jié)點
內(nèi)圈V字型柱腳設(shè)計，本工程屋蓋結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，內(nèi)圈鋼柱支座力以軸力為主，剪力和彎矩均較小。節(jié)點設(shè)計中采用3夾2銷軸節(jié)點。徑向彎矩完全釋放，環(huán)向彎矩由節(jié)點板承擔(dān)；為防止銷軸的脆性破壞，控制銷軸處于低應(yīng)力狀態(tài)下工作。
圖12 廣州市花都東風(fēng)體育館內(nèi)圈銷軸節(jié)點詳圖
5.3 預(yù)應(yīng)力張拉節(jié)點
張拉節(jié)點的設(shè)計關(guān)系到環(huán)向管內(nèi)預(yù)應(yīng)力實施的成敗，是本工程的關(guān)鍵節(jié)點之一。本項目有效預(yù)應(yīng)力值分別為：3350kn(下弦管內(nèi))和1565kn(上弦外側(cè)管內(nèi))。在鋼管張拉節(jié)點處的作用力較大且集中同時需在原鋼管上開孔以方便預(yù)應(yīng)力的施加。因此合理的節(jié)點設(shè)計非常重要。該節(jié)點的設(shè)計中采用在弦桿外包鋼管的方式加強此節(jié)點并在張拉端用加勁板保證節(jié)點板整體穩(wěn)定。
圖13 預(yù)應(yīng)力張拉節(jié)點詳圖
圖14 預(yù)應(yīng)力張拉節(jié)點實體圖
5.4 鑄鋼節(jié)點
比賽館中多桿件相交、桿件相交夾角太小、正常加工困難的節(jié)點采用鑄鋼件，鑄件材料均采用《鑄鋼節(jié)點應(yīng)有技術(shù)規(guī)程》CECS235:2008中可焊鑄材ZG275-485H，屈服強度為275MPA。采用美國通用有限元分析軟件ANSYS9.0作計算分析，采用solid92單元模擬桿件，一根桿件兩端固定，其余桿件加載。經(jīng)計算分析，安全儲備均在2倍以上。設(shè)計荷載作用下的有限元分析結(jié)果如圖15、圖16。
圖15 柱頂鑄鋼節(jié)點應(yīng)力云圖
圖16 廣州市花都東風(fēng)體育館中央壓力環(huán)鑄鋼節(jié)點應(yīng)力云圖
6、結(jié)語
本文介紹了2010年廣州亞運的花都東風(fēng)體育館這一工程實例，對于結(jié)構(gòu)特點、體系分析、計算結(jié)果及構(gòu)件連接處的節(jié)點有限元分析做了描述和總結(jié)：
1、根據(jù)建筑外形特點，屋面鋼結(jié)構(gòu)采用肋環(huán)型穹頂結(jié)構(gòu)體系，同時在受拉圈梁弦桿管內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力。計算分析表明：結(jié)構(gòu)受力簡單明確，內(nèi)圈屋蓋鋼結(jié)構(gòu)基本處于結(jié)構(gòu)自平衡狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。
2、環(huán)行管內(nèi)預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的采用不僅增加梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高了安全性能，而且減少了結(jié)構(gòu)用鋼量，降低了工程造價，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。
3、萬向銷軸鉸支座的運用，完全與計算假定一致。同時滿足建筑美觀要求。
4、比賽館用鋼量87kg/㎡、訓(xùn)練館用鋼量62kg/㎡，此用鋼量包含屋面用鋼量和鋼柱用鋼量，是同類鋼結(jié)構(gòu)場館中用鋼量最低的項目。
本工程的經(jīng)驗可為此類工程設(shè)計提供一些借鑒和參考。
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