某学院体育馆钢结构工程设计

曾福英

（河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064）

某学院体育馆钢结构工程设计

曾福英

（河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064）

本文结合某学院体育馆实际工程，对该工程的钢屋盖方案进行比选，根据建筑平面布置及立面造型要求，最终采取了平面交错钢管桁架的结构形式。

体育馆；主体结构；钢屋盖；钢管桁架

1 工程概况

该学院体育馆位于河南省许昌市，由主馆以及训练馆组成。其中主馆南北长约102.5m，东西宽约85m，屋面最高点离地约28m；训练馆东西长约53.5m，南北宽约42m，屋面最高点离地约20m。工程建成后将成为许昌市一个标志性建筑，为全市人民提供一个很好的体育文化活动场所，也为许昌市下一步积极承担全国单项赛事提供很好的硬件基础。

2 结构选型

体育馆建筑属空旷大空间建筑，其屋顶钢结构部分主要需控制结构的侧向位移和竖向挠度满足规范要求。本工程经计算发现是由竖向挠度起控制作用。为控制其挠度，分别比较了空间网壳、平面交错桁架和空间三角桁架三种结构形式，并分别建模进行比较。网壳方案，经建模计算，要满足挠度要求，则网壳的高度要达到5.8m，且网壳结构杆件较多，影响结构内部的美观，经甲方确认后，否定了此方案。重点比较平面交错桁架和空间三角桁架两种方案，分别按两种方案进行了计算比较，在满足挠度要求的前提下，平面交错桁架需要的高度是5m，而改成空间三角桁架方案，高度则是4.85 m，虽然相对来说高度稍有减小，但空间桁架的用钢量大大增加，而且由于屋盖室内外厚度差别较大，不好处理。综合比较，最终决定本工程的钢结构屋盖方案为平面交错桁架，主馆的东西方向跨度71.5m，两边各悬挑6.64m，作为主桁架；南北方向跨度较大，作为次桁架。主馆S轴北侧4根斜柱和H轴南侧2根斜柱考虑到该部位钢屋盖悬挑较大，作为承重柱考虑，周边其他斜柱作为装饰柱考虑。

3 结构计算分析

1）荷载取值

设计主要考虑如下荷载：

屋面静荷载0.4 kN /m2（屋盖采用压型钢板，考虑屋面保温及防水做法），悬挂荷载根据相关专业提供的设备重量等，取0.4kN/m2，结构构件自重由程序自动计算确定。

屋面活荷载0.5 kN/m2。

雪荷载基本雪压为0.45 kN/m2。

风荷载基本风压为0.45kN/m2，因本工程属不规则外形，且未做风洞试验，所以风振系数及体型系数参照国内已建成的外形相似的结构进行取值，风振系数为2.0。

建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度7度，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g。

结构设计控制指标屋面跨中挠度≤L/400（L为跨度），杆件最大组合设计应力≤0.9f（f为钢材设计强度），杆件长细比≤150。

2）结构分析

本工程设计计算中，采用Midas Gen和sap2000两种软件进行结构的静力和动力特性分析。两名设计人员用不同的两个软件进行计算分析，可以减少软件误差、设计人员人为等因素造成的差别，保证计算结果的正确性、可靠性。

计算模型采用两种：一种是仅计算上部钢结构，模型中不包含下部混凝土结构主体部分，只是将下部结构对屋盖的约束作用以支座的方式加上；另一种是将上部刚屋盖部分和下部混凝土主体部分以整体的方式建模计算。

综合比较两种软件和两种计算模型的计算结果，结合对整个结构的概念设计，实现对整个钢结构部分杆件截面的选择，本工程所用杆件均为焊接钢管，截面最大的为377x10。并根据计算结果进行节点设计，桁架杆件之间节点接头均采用全熔透对接焊缝，对局部受力特别复杂、连接杆件特别多的部位，采用焊接球节点。

3）重点难点部位

根据建筑平面布置的需要，在平面上四个角柱进行了抽柱，这就导致局部桁架悬挑长度达到将近20m，所以在悬挑部位的节点构造、杆件受力等都会变得很复杂。另外屋盖周边室内外高差变化比较大，采取一些特殊措施进行处理，确保建筑造型的实现。对于这些重点复杂部位进行了专门的有限元分析，将节点附近的杆件做得较大，节点采用焊接球节点，以确保安全。

4 小结

1）本工程钢结构造型美观，既保证了结构安全性，又满足了建筑的使用要求，与建筑效果完美结合。

2）通过不同人员运用不同的软件进行计算分析并加以比较，分析结果十分吻合，说明计算软件成熟，也说明计算分析假定的可靠性。

3）本工程空间关系复杂，节点应力较大，尤其是在悬挑部分的端部节点，多根杆件在此汇交，该部分节点采用特殊构造措施，以保证节点的安全性。

4）本工程于2010年5月份竣工，已投入使用，钢屋盖外观新颖，效果良好，较好地达到了预期要求。

[1]GB 50017-2003.钢结构设计规范

[2]JGJ 7-91.网架结构设计与施工规程

[3]JGJ 61-2003，J258-2003.网壳结构技术规程

[4]GB5009-2001.建筑结构荷载规范.2006

[5]GB50011-2001.建筑抗震设计规范

[6]杜文风，张慧.空间结构.中国电子出版社，2008.

[7]马克俭，张华刚，郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践.人民交通出版社，2006.

[8]约翰·奇尔顿 （作者），高立人（译者）.空间网格结构.中国建筑工业出版社，2004.

2017-08-23