广州市花都东风体育馆钢结构设计
作者：刘雪兵 区彤
时间：2013-09-29 13:47:12 [收藏]
广州市花都东风体育馆采用肋环型穹顶结构体系，由径向空腹刚架与环向桁架组成球面网壳，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁为倒三角桁架，在三角桁架外侧的上下弦杆中布置预应力拉索以平衡上部屋面结构向外的水平力
关键词：广州市花都东风体育馆
摘 要：广州市花都东风体育馆采用肋环型穹顶结构体系，由径向空腹刚架与环向桁架组成球面网壳，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁为倒三角桁架，在三角桁架外侧的上下弦杆中布置预应力拉索以平衡上部屋面结构向外的水平力，减轻下部支撑结构的负担；受拉圈梁支承于环向布置的人字柱；通廊部分的主要结构为Y型环向布置的人字柱，柱脚为万向铰支座。计算分析表明：环向预应力的布置使屋盖部分结构基本处于结构自平衡状态，结构自重得以减轻，产生了良好的经济效果。
关键词：大跨度钢结构；环向预应力；万向销轴铰支座
1 工程概况
广州市花都区东风体育馆工程建设场地位于花都汽车城风神大道的南侧，康体公园（飞鹅岭）的北侧。本工程主要包括比赛馆和训练馆(不设地下室)。比赛馆地上四层，固定席位7780个；训练馆为地上二层（二层楼面结构标高5.450m）。建筑基底面积21685㎡ ，总建筑面积37516㎡，工程总投资约4.1亿。建成后还将与其南侧计划兴建的康体公园融为一体，亚运会后将成为花都中心城区西部文化体育中心，同时也可以成为汽车城工业产品的展览展销平台，充分发挥该场馆的赛后作用。
两馆下部结构为钢筋混凝土框架结构，由框架柱支承钢结构屋盖。本工程总用钢量约2800t，其中比赛馆约2200t，屋盖主体结构用钢量87kg/㎡；训练馆约600t，屋盖主体结构用钢量75kg/㎡。
本文主要介绍比赛馆的钢结构设计情况。
图1 花都东风体育馆效果图
图2 花都东风体育馆室内实景图
2 结构选型及布置
花都东风体育馆比赛馆平面为圆形，结构双轴对称。由两圈钢管柱支承，分别分布在直径为97.2m和116m的圆上，屋盖高为33.1m。矢高约27m，内圈矢跨比为1/8.8。屋盖采用肋环型穹顶结构体系，由径向变高度、变厚度空腹刚架与环向桁架组成球面网壳，其底部支承于受拉圈梁上，受拉圈梁为倒三角桁架，在外侧的上下弦杆中布置预应力拉索以平衡上部屋面结构产生的水平力，减轻下部支撑结构的负担；底部受拉圈梁支承于环向布置的V字柱上，柱顶节点采用铸钢件，柱脚采用销轴支座，释放径向转角；观众休息大厅主要结构为Y型环向布置的人字柱，柱脚为万向铰支座。V字柱柱脚支撑于11.690m的混凝土圈梁上，Y型环向布置的人字柱支撑于下部5.450m混凝土平台上。
训练馆平面为圆形，结构总高度17.6m，跨度56m，矢高11.5m，矢跨比1/5。因为训练馆内吊挂荷载无特殊要求且跨度未超60m，因此训练馆屋盖采用由径向箱型钢梁、环向箱型钢梁和支撑组成单层空间球面网壳结构。柱脚采用销轴连接，径向释放转角。
比赛馆具体结构布置如下图3
图3 花都东风体育馆钢结构轴侧图
图4 广州市花都东风体育馆钢结构主桁架剖面图
图5 训练馆基本受力单元
图6 人字柱实景图
3 结构主要设计参数
3.1 结构设计等级
建筑结构的安全等级：一级;结构重要性系数：γ0＝1.1。
建筑抗震设防类别：乙类，设计地震分组为第一组。
建筑结构构件耐火等级：二级.
3.2 结构设计年限
结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年。
3.3 结构设计荷载或作用
抗震设防基本烈度为6度，需根据拟建场地安评报告取用相应的地震作用。
基本风压：50年重现期的基本风压值0.50kN/m2，用于正常使用极限状态验算；100年重现期的基本风压值0.60kN/m2，用于承载能力极限状态验算；地面粗糙度为B类；风荷载作用取值依据风洞试验。计算中取其中8个风向角作用下风荷载进行计算。
屋面附加恒载：0.65kN/㎡；
马道荷载：包括马道自重、强电灯具等；
屋面活荷载：0.5kN/m2；
对室内超长的混凝土结构取整体温差±15°;
对钢结构屋盖取整体设计温差温差：±30°；同时考虑局部温差±5°进行温度作用分析。
3.4 结构分析软件及用途：
SATWE\下部结构的混凝土部分分析计算及配筋;
MIDAS\上部钢结构屋盖的计算分析、整体模型的计算分析、模态分析、屈曲分析、非线性分析、时程分析等;
ANSYS\节点计算分析、整体稳定性分析.
4 分析结果
4.1 模态分析
结构动力分析是衡量结构质量与刚度布置是否合理的重要指标。通过对整个结构进行自振动分析可以看出：1) 前几阶振型均为竖向振型且自振频率密集；2) 结构振型以中间大跨穹顶的竖向振动为主，说明竖向结构刚度较弱；这些特点与其它大跨空间结构非常一致。
图7 广州市花都东风体育馆模态分析结果
4.2 非线性屈曲分析
图8 第一阶屈曲模态
《网壳结构技术规程》4.3.1规定结构厚度较薄的双层网壳应做稳定性计算。结构厚度较薄的双层网壳对缺陷亦较敏感，故应进行非线性全过程分析。考虑初始缺陷的稳定分析：根据特征值屈曲分析结果，取第一阶模态作为初始缺陷的1/300进行几何非线性荷载-位移的全过程分析。第一阶屈曲荷载系数为7.5x0.85=6.375满足网壳规范中稳定系数大于5得要求。
4.3 多遇地震作用下弹性时程分析
选用下列两条实际场地波和一条人工波采用一维输入（X，Y向分别作用）：
SH1 ELCENTRO，加速度峰值：341.7cm/s2；
SH2 兰州波1， 加速度峰值：196.2341.7cm/s2；
SH3 场地地震安全性评价报告提供的人工波，加速度峰值：27.75341.7cm/s2；
选取地震波的最大加速度值调整为多遇地震的最大值27.75gal，进行结构的弹性时程分析。地震作用内力见下表1。
表1 地震作用内力
通过对比反应谱分析和时程分析结果发现，总体来说：反应谱分析所得底部剪力小；整体位移：X向地震作用时，时程分析结构位移较反应谱分析略大；Y向地震作用时，时程分析和反应谱分析所的结构位移接近；补充对结构进行时程分析设计计算，各地震波采用三维输入:SH(Y向)+0.85SH(X向)+0.65SH(Z向)。
图9 SH1（X向作用）－5235节点位移时程曲线
图10 SH1（Y向作用）－7258节点位移时程曲线
4.4 中震弹性计算分析
中震弹性采用反应谱法进行计算分析。反应谱法采用在定义相应的小震反应谱基础上输入放大系数3.72（即0.05×3.72＝0.186），使地震影响系数最大值为0.186；
经过计算分析，整体结构在中震反应谱和中震时程的作用下，结构包络位移为86mm，屋面构件包络应力比0.84，大门立柱包络应力比0.3；结构仍处于弹性工作状态下，结构抗震性能良好。
5 节点设计
5.1万向销轴支座节点
比赛馆外圈万向铰支座节点。该节点由销轴和关节轴承组合而成。关节轴承主要应用于机械设计制造领域，目前在建筑工程领域的应用还处于起步阶段，无相关的规范可以参照。该支座节点的设计应确保结构在荷载作用下产生的转角进行完全释放；并能够传递轴力和剪力。设计中对这个节点考虑一定的安全储备，并且同时满足建筑结构规范和机械设计制造方面的规范规定；然后采用节点足尺模型试验进行验证。通过节点试验和工程实践，证明该节点完全满足设计要求。
图11 外圈万向支座节点详图
5.2 内圈销轴节点
内圈V字型柱脚设计，本工程屋盖结构比较规则，内圈钢柱支座力以轴力为主，剪力和弯矩均较小。节点设计中采用3夹2销轴节点。径向弯矩完全释放，环向弯矩由节点板承担；为防止销轴的脆性破坏，控制销轴处于低应力状态下工作。
图12 广州市花都东风体育馆内圈销轴节点详图
5.3 预应力张拉节点
张拉节点的设计关系到环向管内预应力实施的成败，是本工程的关键节点之一。本项目有效预应力值分别为：3350kn(下弦管内)和1565kn(上弦外侧管内)。在钢管张拉节点处的作用力较大且集中同时需在原钢管上开孔以方便预应力的施加。因此合理的节点设计非常重要。该节点的设计中采用在弦杆外包钢管的方式加强此节点并在张拉端用加劲板保证节点板整体稳定。
图13 预应力张拉节点详图
图14 预应力张拉节点实体图
5.4 铸钢节点
比赛馆中多杆件相交、杆件相交夹角太小、正常加工困难的节点采用铸钢件，铸件材料均采用《铸钢节点应有技术规程》CECS235:2008中可焊铸材ZG275-485H，屈服强度为275MPA。采用美国通用有限元分析软件ANSYS9.0作计算分析，采用solid92单元模拟杆件，一根杆件两端固定，其余杆件加载。经计算分析，安全储备均在2倍以上。设计荷载作用下的有限元分析结果如图15、图16。
图15 柱顶铸钢节点应力云图
图16 广州市花都东风体育馆中央压力环铸钢节点应力云图
6、结语
本文介绍了2010年广州亚运的花都东风体育馆这一工程实例，对于结构特点、体系分析、计算结果及构件连接处的节点有限元分析做了描述和总结：
1、根据建筑外形特点，屋面钢结构采用肋环型穹顶结构体系，同时在受拉圈梁弦杆管内施加预应力。计算分析表明：结构受力简单明确，内圈屋盖钢结构基本处于结构自平衡状态下，结构整体工作性能良好。
2、环行管内预应力大跨度钢结构体系的采用不仅增加梁结构的整体刚度，提高了安全性能，而且减少了结构用钢量，降低了工程造价，产生了良好的经济效益。
3、万向销轴铰支座的运用，完全与计算假定一致。同时满足建筑美观要求。
4、比赛馆用钢量87kg/㎡、训练馆用钢量62kg/㎡，此用钢量包含屋面用钢量和钢柱用钢量，是同类钢结构场馆中用钢量最低的项目。
本工程的经验可为此类工程设计提供一些借鉴和参考。
参考文献
[1]董石麟，罗尧治，赵阳.新型空间结构分析设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2006.
[2]李星荣，魏才昂，丁峙崐.钢结构连接节点设计手册[M].
第2版.北京：中国建筑工业出版社，2005.
[3]黄明鑫等.大型张弦梁结构的设计与施工[M].济南：山东科学技术出版社，2005.
[4]葛家琪，张国军，王树等.2008奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构整体稳定性能分析研究[J].北京：建筑结构学报，2007，28(6)。
"欢迎大家转摘！转载须注明中国建筑金属结构协会建筑
钢结构网(www.CCMSA.com.cn)谢谢合作！"
： 