杭州综合体体育体育馆结构设计docx杭州综合体体育体育馆结构设计 1 土主体结构及设计 杭州体育中心（以下简称“体育博物馆”）位于杭州体育博物馆中心北侧，北临钱塘，西邻七甲河。它是一座复杂的综合性建筑，集体育中心、游泳池、商业空间和停车设施于一体。总建筑面积近40万米。工程东西向长约609m,南北向宽约200m。建筑形态分为上下两个部分:下部是混凝土主体结构,包含地下室、地上体育游泳馆看台及大平台结构;大平台上部放置了一个形态生动的钢结构网壳,把体育馆、游泳馆两个最主要的功能空间覆盖其中,整体效果如图1 所示。 工程的混凝土主体结构地下1层(局部地下2层),地下连为一体,地上部分通过防震缝分为三块,如图2所示,屋盖钢网壳不分缝。体育馆地上5层,总高45m,剖面如图3所示。游泳馆地上2层,总高35m,剖面如图4所示。大平台结构(以下简称8m平台)层高8m(局部设夹层)。 游泳馆、体育馆部分结构安全等级为一级,大平台部分结构安全等级为二级。结构设计基准期为50年。结构的设计使用年限为50年(耐久性按100年设计),地基基础设计等级为甲级,建筑物耐火等级为一级,地下工程的防水等级为一级。工程所在地的抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类。体育游泳馆的抗震设防类别为重点设防类,大平台结构的抗震设防类别为标准设防类。 2 结构体系 2.1 钢网结构体系及构造 工程±0.000以下为一个整体,设温度控制缝,不设防震缝,结构体系为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。±0.000以上根据结构体系、温度区段的要求,将结构划分成左、中、右三个独立的结构单元,各单元之间设防震缝,单元划分详见图2,结构体系为现浇钢筋混凝土框架和框架-剪力墙结构,其中与钢网壳屋盖结构相连的关键构件,采用型钢混凝土梁、型钢混凝土柱。8m平台结构由于跨度大,荷载重,为解决裂缝及承载力问题,部分主梁采用有粘结预应力混凝土梁。混凝土材料C30~C50,钢材Q345B,钢筋HRB400。 2.2 网壳和屋顶钢网壳的设计 覆盖混凝土结构三个单元的屋盖为一个完整的网壳结构,自然延伸支承到8m平台,屋顶曲面为自由曲面。在体育馆与游泳馆的南北两侧共开4个洞口,洞口跨度最大57m,对整体钢结构有较大的削弱,详图5。 游泳馆和体育馆区域的屋盖采用斜交斜放的变厚度双层网壳结构,游泳馆最高点的结构厚度为6.0m,体育馆最高点的结构厚度6.5m,两馆结构厚度随结构相对标高按照0.9次方变化,如图6所示。网壳菱形网格边长5m左右、对角线(b)所示。为增加结构的稳定性,在上弦局部设置支撑杆件,菱形网格变为三角形网格。中间大厅区域为三角形网格的单层网壳,为体育馆、游泳馆网壳上弦网格的延伸,网格尺寸为双层网壳网格的一半。为满足建筑要求,双层网壳的钢结构弦杆均采用矩形截面。双层网壳部分落地段(落地点以上约6.5m高度范围)采用了矩形弯扭构件,由于双层落地处上下弦合成一点,最下段为变截面的矩形弯扭构件,如图6(c)所示。单层网壳部分统一全采用了矩形弯扭构件。 屋顶钢网壳的支座分为三种类型,1)落在8m平台上的三向固定铰支座;2)位于游泳馆和体育馆东西两侧的四排柱顶,支座沿切向固定、法向滑动;3)位于大厅区域,由两个钢筒体支承屋顶单层网壳结构,钢筒体下端三向固定铰支承于8m标高处的主体混凝土结构上。 3 结构设计的困难和技术措施 3.1 屋顶结构体系 设计面临的主要问题:屋盖钢结构网壳总长度为456m,单向长度大于300m,钢结构网壳跨度达到141m,跨度大于120m,属于超限大跨空间结构;上下部结构分块不对应,存在复杂结构的抗震问题;屋顶侧面开洞,局部受力复杂;屋顶结构杆件除竖腹杆为圆钢管外,其他杆件均为方钢管,且部分构件为弯扭构件,连接节点比较复杂;部分构件采用了弯扭构件,弯扭构件在计算模型中采用多段直杆模拟的误差问题;大跨度复杂曲面屋盖结构的整体稳定问题;下部超长混凝土结构的裂缝控制以及温度应力。 3.2 多种分析方法 针对上述疑难点,结合工程实际情况,采取了以下措施:1) 制定抗震性能化设计标准;采用PKPM软件对主体混凝土结构模型进行分析,采用MIDAS软件对包括主体混凝土结构和屋盖钢网壳钢结构的整体模型进行总装分析;2) 采用ANSYS软件进行屋盖钢网壳结构整体稳定分析;3) 进行详细的温度内力分析,提出控制混凝土裂缝的措施;4) 采用MIDAS软件整体模型进行多点地震分析;5) 采用ABAQUS软件对整体结构进行弹塑性地震分析;6) 采用ABAQUS软件对屋盖钢网壳结构节点进行承载力分析;7) 研究分段直线模拟弯扭构件的误差与可行性。 4 结构内力分析的地震响应面试验方案 依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)(2008版)(以下简称抗震规范),杭州地区抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度峰值0.05g,地震分组第一组,场地类别Ⅲ类,场地设计特征周期0.45s。经对比分析发现,在结构的主要频谱范围内,地震安全评价报告提供的地震影响系数均大于抗震规范规定的地震影响系数。结构设计时小震采用地震安全评价报告提供的地震参数,中震和大震则采用抗震规范的地震参数。 弹性时程法补充计算选用安评报告提供的人工波、中国建筑科学研究院提供的两条Ⅲ类场地的天然波,三条波的平均地震影响曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响曲线在统计意义上基本相符。中震及大震分析采用和小震分析相同的地震波波形,根据相应的动参数调幅。每条时程曲线计算所得结构基底剪力不小于震型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值不小于震型分解反应谱法计算结果的80%,主要结果如表1所示。除按照规范进行地震荷载组合外,还须增加1.3竖向地震+0.5水平地震工况。结构的抗震性能标准如表2所示。 5 无粘结预应力筋设计 主体混凝土结构按独立的混凝土结构模型(计入屋盖钢网壳传给混凝土结构的反力),三个单元的周期、位移均能满足规范要求,最大位移比1.31,满足规则性要求。 工程地上8m平台基本柱网16.8m×16.8m,局部柱网8.4m×33m,18m×22m,为满足种植等专业要求,承受较大建筑做法(覆土、水池、找坡等)荷载,另外大部分区域又需承受消防车荷载,故在较大 跨钢筋混凝土梁中施加有粘结预应力筋以满足抗裂和承载力要求。地上8m平台虽分成三个独立的结构单元,但每个结构单元均属超长结构,温度变化对结构影响较大,故在双向次梁、未施加有粘结预应力的框架梁中施加无粘结预应力筋,以减少温度应力对结构的影响。结构地下2层顶板、地下1层顶板用温度控制缝分成三个结构单元,但每个结构单元仍属超长结构,温度变化对结构影响较大。根据温度应力分析结果,在温度影响大的框架梁中施加无粘结预应力筋以减少温度应力对结构的影响。 预应力分两阶段设计,第一阶段不考虑消防车荷载,控制裂缝和承载力;第二阶段考虑消防车荷载,按偶然组合复核梁的承载力,不控制裂缝。工程大跨预应力效应采用等效荷载法进行计算,预应力筋的反弯点取0.1L(L为梁计算跨度),裂缝控制等级为二级。在预应力梁的设计中以结构的抗裂控制标准来确定预应力筋量,当按裂缝控制要求配置的预应力筋量不满足承载力要求时,通过增配非预应力钢筋予以满足。为保证框架梁的延性,预应力强度比控制在0.65以内,混凝土全截面的名义压应力控制在3.5MPa左右。在结构满足抗裂要求的情况下,变形一般也均能满足规范要求。 工程体育游泳馆在轴线)四条弧线处采用型钢混凝土柱以支承屋顶钢网壳,屋顶钢网壳支座支承于型钢柱顶的钢环梁上。钢网壳支座沿轴线法线方向释放,切线方向部分支座固定,此部分型钢混凝土柱为该结构的关键构件,需要详尽的分析。 为反映屋盖和下部结构的相互影响,采用总装模型进行分析,并按抗震性能标准进行中震弹性设计,典型关键构件在中震组合下的N-M相关曲线所示,满足抗震要求。 在罕遇地震作用下,典型关键构件3D屈服面结果显示弱轴方向所能承受的最大弯矩约为 19 606kN·m,强轴方向所能承受最大弯矩约为 28 462kN·m。由计算结果分析可知,型钢混凝土柱截面在最不利组合下承载能力比控制在0.85左右,能够满足大震不屈服的性能标准。 上部钢网壳在温度作用下对主体混凝土结构产生较大的作用力,支承上部钢网壳的柱及梁均埋入型钢,并加大支承钢网壳的墙体截面。 6 钢网盖结构的设计 6.1 分段梁单元模拟误差 弯扭构件在计算模型中采用多段等截面梁单元模拟,分段长度根据构件的扭转角确定,构件扭转明显的,分段长度较短,反之取较长分段。为确定采用分段梁单元模拟误差,计算还采用板单元模拟较真实的弯扭构件,在整体计算模型中比较两种模型(见图8)的计算结果,用以确定多段等截面梁单元模拟弯扭构件的精度。 比较两种模型在矩形截面4个角点处的应力可知,组合应力的绝对最大值相差很小,角点1相差6%,角点2相差7%,角点3相差2%,角点4相差4%,且采用梁单元计算的应力比板之模型的偏高,可以认为用多段等截面梁单元模拟弯扭构件满足工程要求。 6.2 柱形节点的加强 由于整体结构为自由曲面,这就带来矩形截面构件相交位置的节点设计困难,为了便于施工,工程采用了圆柱形节点,圆柱内部采用十字加劲肋进行加强,如图9所示。 采用ABAQUS软件进行节点分析,梁构件上施加等强荷载,即矩形截面梁进入塑性状态,此时节点大部分区域在230MPa以内,如图10所示,仅与梁连接位置处的焊缝达到了345MPa,可以认为该节点设计满足“强节点、弱杆件”的设计原则。 6.3 荷载位移过程及极限状态分析 鉴于屋顶钢结构跨度较大,且为空间曲面结构,存在一定的薄膜内力,需保证整体稳定性满足规范要求。根据《空间网格结构技术规程》要求,当按弹性全过程分析,安全系数K需大于4.2,按弹塑性全过程分析时,安全系数K可取为2.0。由于工程风荷载作用较小,不起控制作用,具体详见风洞试验报告。在整体稳定分析时考虑恒荷载(含结构自重)与活荷载标准组合的荷载模式9博体育官网。 采用ANSYS12.0进行荷载位移时间历程分析。同时考虑几何非线性和材料非线性。在不考虑初始缺陷时,结构极限承载力系数K为5.75,满足规范要求。极限状态最大变形为 2 188mm,变形云图如图13所示,从图中可以看出,屋顶结构在考虑双重非线性下,非线性特性较明显,同时表明结构的整体稳定性较好。 按《网壳结构技术规程》(JGJ 61—2003)4.3.3之规定,进行网壳全过程分析时应该考虑初始曲面形状的安装偏差的影响;可采用结构的最低屈曲模态做为初始缺陷分布模态,最大值可按网壳跨度的1/300取值。 在考虑初始缺陷时,结构的极限承载力系数为K=5.24,变形云图如图11所示,满足规范要求。 7 施工阶段的结果分析 工程的混凝土结构为超长结构,势必会带来较高的温度应力。在设计时单独就混凝土温度应力进行分析,考虑了杭州市本地的气象资料、整体混凝土的施工过程模拟、混凝土的收缩徐变、桩基刚度以及伸缩缝、后浇带的布置情况。计算采用考虑施工全过程的混凝土结构模型。典型施工过程的混凝土构件温度应力如图12所示。 通过施工全过程分析,得到以下结论:1)施工阶段设置后浇带,以及在单元左、中、右之间设置的温度控制缝、伸缩缝,可以有效地减少结构温差以及收缩的作用效应;2)在整个施工阶段,结构的水平变形在可以接受的合理范围之内,最大绝对水平位移18.18mm,出现于首层结构后浇带合拢之后;3)混凝土框架梁拉应力水平控制在2MPa以内,局部构件有超过2MPa的情况;4)混凝土框架柱因温差以及收缩徐变作用产生的剪力、弯矩在合理范围内;5)混凝土楼板和墙体的拉应力水平平均值小于2MPa,只有极少数部位,角点峰值应力超过2MPa,主体结构完成后的半年时间,局部角点应力达到4~5MPa。 针对温度应力较高区域,提出以下措施:在高应力区,增加后浇带数量、减小后浇带间距;限制混凝土强度最高值,以减小收缩变形;采用后期强度作为验收标准;对于应力水平超过2MPa的框架梁施加预应力;采用通长板筋加局部短筋的配筋方式,增强楼板的抗裂性能,楼板双层双向配筋,控制混凝土裂缝宽度不超过0.2mm;对于拉应力水平超过2MPa的墙体,提高其水平方向分布筋的配筋率。 8 结构体系基本满足抗震性能要求 采用ABAQUS软件进行结构整体大震弹塑性分析,考虑几何非线性与材料非线性。钢材的本构模型采用双线性随动硬化模型,考虑了包辛格效应,在循环过程中,无刚度退化。混凝土采用弹塑性损伤模型, 该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质。 分析结构显示,结构基本满足大震作用下结构不倒塌的抗震性能目标。大震作用下虽然部分墙体损伤较严重、钢结构局部区域进入塑性阶段,最大塑性应变达到1.554×10-3,梁柱未进入塑性阶段,且钢结构屈服的部位离支座较远,结构强度退化不大。整体结构具有足够的能力进行内力重新分布,维持其整体稳定性,承受地震与重力荷载。 支撑钢结构屋盖的柱子最大X向位移角包络值为1/124,最大Y向位移角包络值为1/105,满足表2的抗震性能标准(相对水平位移≤1/50);钢结构屋盖最高点挠度与跨度比值为1/1 012,相对水平位移为1/211,满足表2的抗震性能化要求(挠度≤L/50,相对水平位移≤H/50);满足表2中的大震作用下支承钢结构的混凝土结构不屈服、与支座相连的杆件不屈服的抗震性能标准。支座节点设计时,按照大震不屈服的反力由专业加工厂设计、加工。 9 钢网壳结构分析设计 (1)杭州奥体中心体育游泳馆由下部主体混凝土结构和屋盖钢网壳结构组成,下部主体混凝土结构属于超长结构,屋盖钢网壳属于超限大跨空间结构,且存在上下分块不对应。主体混凝土结构采用混凝土框架和框架-剪力墙体系,其中与钢网壳屋盖结构相连的关键构件,采用型钢混凝土梁、柱。主体混凝土结构采用独立模型进行分析设计,钢网壳屋盖及与屋盖相连的关键构件采用总装模型分析,并制定相应的性能目标,保证支座关键节点及相关梁柱的安全性。 (2)下部主体混凝土结构通过设置温度诱导缝、伸缩缝并配置适当的预应力筋来解决超长结构的温度问题。8m平台结构由于跨度大、荷载重,部分主梁采用有粘结预应力混凝土梁能有效解决裂缝及承载力问题。 (3)屋盖钢网壳采用参数化造型,局部开大洞,受力复杂。分析显示采用多段等截面梁单元模拟弯扭构件能满足工程要求。稳定分析显示网壳结构的整体稳定性能满足规范要求。节点承载力分析显示圆柱形节点能满足强度要求,且方便连接。
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