外国体育场钢结构屋盖结构方案说明

钢结构屋盖结构方案说明1、工程概况某国某体育场位于某国某省，为可容纳4万人的综合性多功能体育场。位于看台上方的体育场钢结构屋盖系统，是由相互交叉的立体钢桁架所构成。屋盖由体育场四周向中心悬挑（如图1所示），其一端的根部坐落在混凝土基础上，中间部位支撑于混凝土看台的顶端，向场地中心的悬挑长度约为30m，其三维透视图如图2所示。图1単榀结构示意图图2某体育场三位透视图根据工程规模，建筑结构的安全等级与设计使用年限为：建筑结构的安全等级：一级；结构重要性系数：1.1；设计使用年限：50年（耐久性按100年设计）；建筑抗震设防类别：乙类；建筑物的耐火等级：一级；2、设计遵循的规范根据总包的要求，钢结构设计采用中国的设计规范进行,所遵循的规范为：建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2004建筑结构荷载规范GB50009-2001建筑抗震设计规范GB50011-2001钢结构设计规范GB50017-2003钢骨混凝土结构技术规程YB9082-2006建筑钢结构焊接规程JGJ81-2002钢筋焊接及验收规程JGJ18-2003钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002低合金高强度结构钢GB/T1591-1994建筑结构用钢板GB/T19879-2005碳素结构钢GB/T700-1988同时，在施工图设计时，我们还将参考如下国外技术文献：EC3:Eurocode3.CommonunifiedRulesforSteelStructures;AWSD1.1-90:StructuralWeldingCode-Steel,AmericanWeldingSociety;DesignGuideforCircularHollowSection(CHS)JointsUnderPredominantlyStaticLoading,InternationalCommitteeforDevelopmentandStudyofTubularStructures(CIDECT);DesignGuideforHollowStructuralSectionConnections,CIDECT;3、设计荷载屋面荷载上弦恒荷载：0.30KN/m2（金属屋面+檩条等）；注：原方案中取0.2KN/m2。但是根据实际工程的经验，我们增加到0.3KN/m2。屋面活荷载：0.50KN/m2；悬臂端部沿周圈线荷载：4KN/m；注：原方案中无此项荷载，根据大型体育场工程设计经验，增加此项荷载。温度荷载屋盖钢结构考虑升温30℃和降温20℃地震荷载抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2设计地震分组：第一组；建筑场地类别：Ⅱ类，Tg=0.35s，水平地震影响系数最大值取为0.2；结构阻尼比：3.5%；竖向地震作用：取结构重力荷载代表值的10％；风荷载注：由于本工程体型比较复杂，结构的重要性比较高，因此，我们建议对本工程进行风洞试验，在未取得风洞试验数据前，我们暂时采用中国规范确定的风荷载进行设计。基本风压：0.35kN/m2；地面粗糙度：B类；风载体型系数s：负风压时取1.3，正风压时取0.5；风振系数；；4、构件选用为方便采购，本工程所选用的构件截面均为国家标准或行业标准的型钢或管材。热轧H型钢，钢板，管材，Q345-C级钢材，建议部分次要构件可取Q345-B，且应符合相应国家标准的规定。5、结构建模1）建模某体育场钢结构屋盖是一系列立体空间桁架相互交叉形成的复杂空间结构，其上弦、下弦均处于不同的曲面上，它们随着屋盖表面曲率的变化而弯曲、扭转，形成了空间扭曲的曲线。为了能够准确表现结构的构型，为下一步结构分析和节点研究打下基础，我们采用了在国家体育场“鸟巢”项目上使用的大型三维建模软件CATIA进行建模，先后形成了空间曲线模型、计算模型和三维实体模型。2）空间曲线模型建立空间几何模型，可以分为以下几步：a）使用CATIA，首先建立了上弦、下弦轴线所在的空间曲面。利用曲面建立曲线，可以使得所建立的所有空间曲线都可以在曲面上相交，符合实际情况，如图3所示；b）形成上下弦中心线的水平投影线，如图5所示；图3空间曲面图4水平投影线c）水平投影线分别向上弦所在的曲面和下弦所在的曲面投影，形成上弦和下弦，如图5所示；d）连接腹杆，形成完整的桁架模型，如图6所示；图5形成上下弦图6空间模型3)计算模型得到空间模型之后，就可以处理成计算模型和三维实体模型了。在将空间模型处理成计算模型的时候，需要将曲线转化为直线，考虑到体育场肩部构件弯曲曲率比较大，如果在一个腹杆节间简单的将曲线转化为直线，则会减小转换后构件的P-δ效应，导致设计不安全，因此，在曲率较大的部位，对直线的单元长度特殊的控制，保证其与原曲线的弦高差不超过设定的范围。计算的模型见图7。a.单元长度的控制b.肩部的处理c.整体模型图7计算模型4）实体模型图8某体育场钢结构实体模型以空间模型为基础，将轴线赋予实际的截面，就形成了实体模型，见图8。有了实体模型，一方面可以更直观的认识整个工程，并根据建筑效果的需要进行调整，另一方面也可以研究结构的构造做法，及早发现一些结构中存在的问题。同时实体模型还可以传递至钢结构加工详图单位，有效降低后期费用和缩短工期。6、结构优化设计1）计算程序本工程使用SAP2000（Version11.0.4）按照中国规范进行计算和构件设计。2）工况组合设计中，考虑了如下工况组合：注：在进入施工图设计阶段设计后，我们将根据当地的技术标准来调整工况组合。(1)1.2D+1.4L(2)1.35D+1.4×0.7(3)1.0D+1.4(W-)(4)1.2D+1.4L+1.4×0.6(W+)+1.4TS(TJ)(5)1.2D+1.4×0.7L+1.4(W+)+1.4TS(TJ)(6)1.35D+1.4×0.7L+1.4×0.6(W+(7)1.2(D+0.5L)+1.3EX+0.5EVT+1.0TS(TJ)+1.4×0.2((8)1.2(D+0.5L)+1.3EY+0.5EVT+1.0TS(TJ)+1.4×0.2(W+)(9)1.2(D+0.5L)+1.3EVT+1.0TS(TJ)+1.4×0.2(W+)(10)1.2(D+0.5L)+1.3EX－0.5EVT+1.0TS(TJ)+1.4×0.2(W+)(11)1.2(D+0.5L)+1.3EY－0.5EVT+1.0TS(TJ)+1.4×0.2(W+)(12)1.2(D+0.5L)－1.3EVT+1.0TS(TJ)+1.4×0.2(W+)(13)1.0(D＋L)(14)1.0D+1.0(W+)(15)1.0D+1.0L+1.0TJ+1.0(W+其中：D表示恒荷载；L表示活荷载；W+表示风压力；W-表示风吸力；TS表示升温工况；TJ表示降温工况：EX表示X方向的地震作用；EY表示Y方向的地震作用；EVT表示竖向地震作用。3）计算结果结构的SAP2000计算模型见图9。图10为结构中的一榀桁架在上述荷载工况下计算得到的构件应力比分布图，可以看出，肩部支座处的桁架下弦（即图中标记处）应力比最大，为0.81，其控制工况为1.2D+1.4×0.7L+1.4(W+)+1.4TJ。而腹杆的应力度水平相对较低，这是由于此时这些构件是受到长细比、节点做法等构造要求的控制。图9SAP2000计算模型图10单榀桁架构件应力比（最大应力比0.63，图中红圈处）图11结构的应力比图12结构应力度统计图图11为结构整体的应力比分布图。图中呈红色的斜支撑应力比超过1，这是由于拉杆受压而导致的，实际中支撑只作为拉杆，并不考虑其受压力作用。结构的应力度比率统计图见图12。从图中可以看出，结构90%的构件应力比都在0.7以下，考虑到构件相贯节点的承载力，构件的应力比不宜过高。因此，此时的应力水平是合适的。结构在各工况下的竖向变形如图13所示。从结果中可知，结构在恒+活+正风+降温的工况下竖向位移最大，为196mm，对应挠度约为1/153（相当于简支梁的1/306a.恒荷载下的结构位移（箭头所指区域为竖向位移最大处，为-69.34mmb.活荷载下的结构位移（箭头所指区域为竖向位移最大处，为-26.41c.升温工况下的结构位移（箭头所指区域为竖向位移最大处，为+45.23mmd.降温工况下的结构位移（箭头所指区域为竖向位移最大处，为-30.16e.正风工况下的结构位移（箭头所指区域为竖向位移最大处，为-69.97mmf.负风工况下的结构位移（箭头所指区域为竖向位移最大处，为+30.16mm）图13结构竖向变形图在经过优化计算后，结构的截面和用钢量与前几次设计的对比情况如表1。用钢量与荷载的对比见表2。表1结构的用钢量与截面统计构件种类原方案本次优化桁架弦杆圆钢管Φ500×10圆钢管Φ351×8，圆钢管Φ351×12桁架腹杆圆钢管Φ300×8圆钢管Φ273×6桁架拉杆圆钢Φ40圆钢Φ40桁架檩条拉杆圆钢管Φ100×4圆钢管Φ100×4檩条H220×220×6×8H220×220×6×8环向拉杆－圆钢管Φ299×8总计（t）4105.953565.42表2结构的用钢量与截面统计构件种类原方案本次优化考虑的荷载恒荷载0.2kN/m20.3kN/m2活荷载0.5kN/m20.5kN/m2悬挑端吊挂荷载没有考虑4kN/m正风压没有考虑0.35kN/m2负风压没有考虑0.35kN/m2正温差没有考虑30℃负温差没有考虑-地震没有考虑0.25g优化量-540t，-13%（比原方案）注：上述统计均未包含天沟、马道、灯光系统、音响系统、通讯系统、安全防护系统、监控系统等，考虑到这些用钢量，大约总用钢量增加300～400t；7、施工模拟基于结构的安全性和施工的方便性的考虑，同时也考虑到和混凝土看台施工，我们提出了施工顺序的建议，并进行了施工全过程的模拟，钢结构施工分段见图14，施工过程示意见图15。1．钢结构安装第1段（黄色）2．钢结构安装第2段（浅蓝色）3．钢结构安装第3段（绿色）图14钢结构安装分段示意1.在混凝土看台施工完成后，施工第1榀桁架第1段2.施工第2个榀桁架第1段3.连接2榀桁架(1)4.连接2个侧面桁架(2)5.施工第3榀桁架第1段6.连接2个桁架(1)7.连接2个桁架(2)8.重复以上步骤，将体育场钢结构四分之一区域的桁架搭建连接完成，同样可以完成其余部分9.安装塔架10.安装第1榀桁架的第3段，悬挑端搭在塔架上11.安装第2榀桁架的第3段12.安装第1和第2榀之间的连接杆13.安装第3榀桁架第3段14.安装第3榀和第2榀之间的连接杆15.依次安装后，体育场钢结构四分之一结构施工完成16.按照上面相同的步骤完成其余区域17.在满足合拢条件时，安装4个四分之一区域之间的连接，钢结构合拢18.拆除塔架，钢结构卸载19.安装屋面结构，钢结构施工完成图15建议的钢结构施工过程以上施工顺序是我们向施工方提供的技术建议，在施工图阶段，我们还将根据具体的技术要求就对施工过程进行完善。8、节点模型1）问题与解决通过建立实体模型，我们对结构的构造进行了研究，并发现了一些需要特殊处理的部位。为了让后期的设计工作能够进行的更加顺利，我们进行了先期的研究。见图16～图19。图16柱脚节点原模型图17柱脚节点改进模型（视角1）图18柱脚节点改进模型（视角2）图19柱脚节点改进模型（腹杆做法）柱脚节点经过改进后，可以增大汇交角度，简化节点做法，使力学模型简单，增加了节点的可靠度，同时还方便了运输。上下弦分叉节点，我们建议采用工厂直接焊接加工的做法，这样可以减小现场焊接的工作量，见图20。a.上弦分叉节点b.下弦分叉节点图20上下弦分叉节点看台与钢结构连接做法见图21。经过这样的处理，可以直接采用焊接球节点而不用采用铸钢节点，减少了工程造价。图21看台顶部连接节点建议做法2）