摘　要：大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型之一，其技术的发展是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准和建筑科技水平的重要标准之一。当跨度增大时，空间结构就越能显示出其优异的技术经济性能。近年来，大跨度空间结构设计的理论和技术水平得到了交大的提高。本文将对潍坊市体育中心—体育场的结构体系的设计进行阐述，以期对类似工程有参考作用。
关键词：大跨度空间钢管桁架结构设计

     1、工程概况
      潍坊市体育中心—体育场项目是潍坊市为2009年第十一届全国运动会规划建设的重点体育设施项目。体育场位于潍坊市潍城区的核心地区，北宫西街北侧，安顺路东侧，卧龙街南侧，清平路西侧。
整个体育场为六层钢筋混凝土框架结构，看台共三层，看台罩蓬为大跨度钢桁架结构承重结构体系、铝镁锰直立锁边金属板罩面。下面主要介绍看台罩蓬的结构设计。

     体育场看台罩蓬平面呈椭圆形，屋盖为四分之一圆弧形，长轴263米，短轴240米，东西侧设有落地拱形金属拱形屋盖，覆盖整个东西两侧观众席，落地拱长300米，最大进深63.5米，落地拱高70米，看台最高点标高35.4m,金属屋面高57米。看台罩蓬面积约为20000平方米。全场可容纳观众约45000人。见图1
 

潍坊市体育中心—体育场效果图
 

2、结构概况
     体育场看台罩蓬结构体系可分为纵，横向结构体系，纵向结构体系为单榀曲面拱形管桁架，桁架跨度L=300米，矢高f=70米，矢跨比f/L=1/42.8,较一般桁架矢跨大，刚度较好，桁架横截面为三根钢管弦杆组成的正三角形，单?钢管轴线平面投影为曲线，与平行拱相比，其建筑造型更为优美。横向结构体系为跨度为约27米~63.5米不等的18榀悬挑刚架和7道纵向环梁。各刚架之间的间距为8米~10.5米不等。刚架梁和刚架柱都为单根钢管，梁和柱平面内设置斜撑，斜撑上点约在距梁柱节点5米处，下点位于柱脚处。纵向环梁为单根钢管，刚接在刚架梁上，同时可作为钢架梁的平面外支撑，保证刚架的侧向稳定和刚架的整体稳定。每榀刚架与拱形桁架的平面内设置两根钢拉杆和一根斜撑，拉杆上节点在桁架的上弦节点，下拉点在刚架的前悬挑端4~6米处，斜撑上拉点位于近刚架内侧桁架上弦节点，下拉点在刚架的前悬挑端约15米处。连接节点均考虑为刚性连接。所有杆件均采用直缝焊管，节点均为相贯面焊接。该结构由拱形桁架，悬挑刚架和环梁通过钢拉杆和斜撑连接在一起，形成一个完整的自平衡体系，同时两种结构体系的相互作用，使两者具有变形协调的关系，较好地控制了结构体型的变形，不仅大幅度降低了刚架的竖向挠度，而且有效提高了结构的稳定承载力。同时，简洁有序的几何构形同时取得了建筑美学效果。由于体育场看台罩蓬的横结构体系类似于平面受力体系，由拱形桁架，刚架,和纵向环梁和拉杆组成的构件，在纵横向有较大的刚度。该结构具有结构轻盈，钢结构构件类型少的特点，具体结构平面图和剖面图布置如下：见图2，图3
 

3、 荷载和作用
     3.1设计使用年限与安全等级图
     按照相关要求和设计规范，结构耐久性设计年限为50年，设计基准期为50年，结构重要性系数为1.0，建筑耐火等级为一级。看台罩蓬钢结构的安全等级提高为一级，结构重要性系数为1.1。
     3.2恒荷载与活荷载
     恒荷载包括结构自重，屋面檩条，屋面板以及涂层和焊缝的质量。其中结构构件自重由辅助计算的程序自动计算，其他恒荷载按面荷载0.4kN/m2考虑。活荷载按面荷载0.4kN/m2考虑，考虑屋面活荷载分布不均匀性的影响，设计时采用半跨活荷载考虑其不利影响。
     3.3 地震作用
     抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15g,设计地震分组为第一组，建筑抗震设防为乙类，设计基准期为50年。勘察报告显示该地区场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.35S，上部看台罩蓬钢结构阻尼比为0.2。
     3.4 风荷载  
     根据GB50009-2001 《建筑结构荷载规范》（2006年版），本工程取50年一遇的基本风压W0=0.5kN/m2, 地面粗糙度类别为B类。由于结构为大跨度结构，周边基本敞开未封闭，其上下表面均受风的作用，风荷载分布较为复杂，通过比较，风向角为0°，45°，60°，90°时风的分布对结构设计最为不利。风压高度变化系数由程序自动计算，设计时取风振系数为1.6。
     3.5荷载工况组合
     结构设计组合考虑了正负30度温差效应，水平地震，各风向角等工况，采用的荷载工况组合形式共计50多种，温度效应对大跨度空间结构影响较大，而现规范对温差效应无明确规定，根据现有的研究成果及参考相应规范，承载能力极限状态荷载效应组合时，温度效应组合系数取1.2，考虑到最不利温差与活荷载，地震，风，雪等作用同时发生的可能性很小，与上述荷载组合时组合系数取0.6，正常使用状态组合时组合系数取1.0恒载+1.0温差效应。对于正常使用极限状态，计算结构位移取标准组合。

四、结构整体计算与设计
     通过CAD为操作平台，根据实际结构中个杆件的空间位置建立模型，其整体模型如下图，(见图4)再根据上述条件，荷载及组合对结构进行整体计算，由计算确定的主要结构杆件截面如下：1）拱形管桁架部分：上弦截面尺寸为￠711x16,下弦截面尺寸为￠801x16, 靠近拱脚部位腹杆截面尺寸为￠508x16, 中间腹杆截面尺寸为￠355x10,拉杆和斜撑截面尺寸分别为￠457x12, ￠508x16。2）刚架部分：1~3榀柱和梁截面尺寸均为￠801x20,斜撑截面尺寸为￠610x16, 4~6榀柱和梁截面尺寸分别为￠801x20和￠912x20,斜撑截面尺寸为￠610x16,7~9榀梁和柱截面尺寸分别为￠912x20和￠910x20, 斜撑截面尺寸为￠865x20。3）屋面环梁截面尺寸均为￠560x16。以上所有杆件材质均为Q345C，工程采用同济大学的3D3S9.0结构设计软件对看台罩蓬钢结构和单元构件进行了整体分析计算,其分析 结果如下：
 

 
大跨度屋盖结构 三维轴侧图
 

     4.1结构振动特性
     表一  结构自振周期
 

     可以看出钢罩蓬结构的前三阶振型以整体平动和竖向振动为主，第一振型为横向平动，周期为0.7968s,说明竖向刚度较大而水平刚度较小，第二振型为整体竖向振动，说明结构的整体性能较好，第三振型为屋盖弯曲变形振动，弯曲变形振动形式严格按照对称布置，周期为0.6026s,其后频谱较密集，结构整体性强，局部振型不明显。表明结构的整体刚度大，刚度和质量分布均匀。

大跨度屋盖结构 刚接支座图


大跨度屋盖结构 滚轴支座