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室内运动场钢结构设计与思路分析

作者：田海明等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文主要介绍了该工程的结构设计与选型、设计思路、典型节点设计、维护系统设计及经济性分析，本室内运动场主要结构为平面拱形桁架。 关键词：平面拱形桁架；典型节点；金属维护

    1.工程概况

    2.结构选型与分析
    2.1 结构选型
    本工程所处的地理位置是厂旧锅炉房拆迁后所剩下的一块地方,周围都是楼房或建筑物，为了充分利用现有的建筑空间，它的平面形状已被确定，见图2所示。建筑长度为57.7m，宽度为52.9m，因此就要求在有限的区域内建造出符合各功能要求且具有现代外型的一个室内综合性运动场所。
    本工程设计有三种方案，最初方案是主结构的柱子采用混凝土柱，屋面采用大跨度压型钢板拱形结构形式；但经过进一步的查阅资料[1]和调研发现，此结构容易失稳，目前国内已有多个工程在冬季大雪压顶的时候塌落，其主要原因是由于半跨雪荷载引起局部失稳（半跨雪荷载容易引起下壳体失稳），因此该方案被否定。
    在后面的两种设计中,主结构均为空间桁架形式,区别主要在内部的桁架结构形式；方案二采用三角形拱形桁架，而方案三采用平面拱形桁架。


    方案二采用空间桁架结构（倒三角形桁架），见图4所示，三角形空间桁架截面尺寸见1-1桁架截面图；在2~7轴该空间桁架跨距为56.75m（直接从A轴到C轴），截面高度为1700mm，上弦杆间距为1300mm，下弦杆直径选用φ219×12，上弦杆直径选用φ168×8，腹杆直径选用φ89×5；在1、8、9轴的桁架截面高度为1500mm，且由于该建筑所在位置的限制，它的柱距选用6.5m；对三角形空间桁架而言，它的优势是大跨度大空间时才能体现其合理的性价比（一般柱距在9m以上），才能体现它的造型美观、承载合理和明显的经济效益；在本方案中的柱距为6.5m，如果采用此三角形空间桁架，将会使屋面桁架布置过密，用刚量大，经济成本较高，因此该方案被否定。



    2.2结构分析
    2.2.1 结构布置
    本工程C轴为北面，其结构长度为52m，共8个开间，南面结构长度为32.5m，共5个开间，每个开间6.5m柱距；2-7轴为两连跨，跨距分别为21.75m和35m，在北面檐口处悬挑6.3m，1轴、8轴和9轴为单跨结构，跨距为35m，在南面和北面檐口处悬挑6.3m（见图3所示）。
    本工程钢柱柱脚刚接，主桁架与纵向桁架和钢柱的连接为铰接，抗风柱柱脚铰接，边跨钢梁与钢柱连接为铰接，在A轴桁架柱脚为铰接。钢柱为H型钢柱，截面尺寸为H650×350×12×20，抗风柱也为H型钢柱，最大截面为H450×200×9×14；纵向桁架为平面钢管桁架，（见图6所示），主拱型桁架也为平面钢管桁架，截面高度为1500mm，（见2-2 桁架截面图），对于35m跨主桁架局部受力大的位置其下弦杆直径为φ219×12。在1和9轴的边跨屋面梁选用H型截面的拱型钢梁；在B轴和C轴线上，在1、2轴之间和7、8轴之间分别布置了双层交叉十字柱间支撑。在布置抗风柱的轴线上通长布置了6道保证主桁架侧向稳定的垂直支撑；由于该空间结构本身的不对称性，为保证整个结构有很好的刚度，在屋面1、2轴之间，2、3轴之间，6、7轴之间，7、8轴之间和8、9轴之间分别布置了屋面横向水平支撑，形成一有效的抗侧力体系，用来保证整体结构具有足够的刚性和稳定性。其支撑布置见图7所示。




    本工程的整体结构不对称，且檐口较高，因此支撑是该工程中主要的抗侧力构件。各支撑的平面布置已在图7中显示，不再详述。通过计算和放样，确定的柱间支撑如图9所示，支撑选择方向性比较好的圆形钢管，按铰接构造；柱间支撑断面为φ219×8；由于钢柱比较高，为减小柱子的计算长度，在标高6.5m位置和屋檐处通长设置刚性系杆，系杆断面为φ133×6；由于该工程结构自身的特点，C轴的刚度比B轴的刚度弱，因此在C轴的屋檐处通长设置了桁架结构支撑来提高其纵向刚度，其上下弦杆断面为φ114×4，腹杆断面为φ70×3。为了保证体系的整体性和有效的传递水平荷载，在拱形桁架的平面外即上下弦设置侧向垂直支撑，在拱形桁架的上弦设置水平支撑，垂直支撑和水平支撑采用高强度圆钢拉索结构，屈服强度为460MPa，选用φ20和φ25两种拉索，使室内的屋面结构布置清晰、均匀、美观。支撑的连接节点和拉索的连接节点如图10所示。
    3.2 主结构关键节点设计
    B轴和C轴的钢柱柱脚采用刚性连接，钢柱底板增设抗剪键来提高柱脚的抗水平力；A轴的柱脚和抗风柱的柱脚的连接形式同为铰接；角部柱脚连接详图见图11所示。主桁架和纵向桁架自身的节点是采用直接焊接的相贯节点，这种节点由于没有节点板，节约钢材，为保证支管端部的切割精度和焊接质量，要求采用空间全自动抛物线




    4.屋面和墙面设计
    4.1 屋面设计
    由于本工程在建模过程中为整体建模，即屋面檩条也参与建模，因此，屋面檩条不仅承受恒荷载、活荷载等竖向荷载，同时还承受山墙传来的风荷载以及整个结构的水平荷载。屋面布置有间距为1.5m的矩形檩条，檩条中间设一道拉条，檩条为□140×80×4；在布置抗风柱的轴线位置上的檩条兼作刚性系杆，檩条截面加大为□140×140×4；用来传递山墙上的风荷载。

    5.结语
    本工程具备钢结构所有的设计、施工、使用等的很多优点，相对于混凝土结构而然，它具有自重轻、施工速度快、性能好、环保、工厂化程度高、劳动强度小等优点；由于本工程建造所在的地方周围是换热站、超市、宾馆，它的地下面有很多暖气管道、下水道、蓄水池，因此，钢结构自重轻的优势就非常明显。方案二选用的三角形空间桁架它的用钢量因明显高于方案三的平面桁架，并且三角形空间桁架节点设计要比平面桁架复杂，加工难度也相对复杂，因此方案三的经济效益非常明显。
    本文对在工程设计和施工中主要想说明几点：1）首先要考虑建筑造型是否具有现代气息；2）在结构选型中要选择经济效益比较好的结构；3）在结构设计中要把大跨度、小跨度构造合理划分，减小设计和施工难度；讲究布局的协调性；4）在节点设计中应首选结构简单，制作和施工方便的节点；5）要考虑长远利益，比如结构新颖、环保等；
    本文我们主要叙述了本工程的设计思路和设计过程，希望能对相关的设计人员和施工人员提供有益的借鉴作用。

    参考文献：
    [1] 《钢结构事故分析与处理》雷宏刚，北京：中国建材工业出版社出版，2003.3.
    [2] 《建筑抗震设计规范》GB20011-2001.北京：中国建筑工业出版社，2002.
    [3] 《建筑结构荷载规范》GB50009-2001. 北京：中国建筑工业出版社，2002.
    [4] 《建筑结构荷载设计手册》陈基发 沙志国. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
    [5] 《钢结构设计规范》GB50017-2003.北京：中国计划出版社，2003.
    作者简介：
    田海明（1975-），男，工程师，主要从事轻型和空间钢结构设计研究工作。
    韩海林（1956-），男，高级工程师，主要从事轻型和空间钢结构设计研究工作。
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