体育馆结构设计论文

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1工程概况

本工程位于福州市八一七路与洋中路之间，在福州市工人文化宫原址上进行建设，是福州市工人文化宫改扩建工程的重要组成部分。工人文化宫由体育馆、多功能影剧院，连廊，地下商场等部分构成，地下室部分连接成整体，上部各功能分区各自独立。福州工人文化宫体育中心为三层公建，附建一层地下车库。本楼首层设计为游泳馆，二层为羽毛球馆，三楼为篮球及乒乓球馆。在各层场馆之间设有局部小面积夹层作为休息连廊和附属配套用房。体育馆总高23.9米，平面尺寸宽约71米，长约89米，平面为扇形。本楼与周边结构采用抗震缝断开，形成单独的抗震单元。从地下室顶面以上，各层层高依次为:6.0米，4.2米(夹层休息廊)，4.8米，4.8米(夹层休息廊)，4.8米，5.0米(夹层休息廊)。本工程抗震设防烈度为七度，设计基本地震加速度为0.1g，地震分组为第一组，根据地质勘察报告，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.45s，多遇地震水平地震影响系数最大值0.08。本工程基本风压0.7kN/m2。本工程未设置观众席，预计使用人员数量1500人以下。抗震设防类别为丙类。基础形式:拟建场地地貌单元以剥蚀残丘地貌为主，部分地段为冲淤积盆地。场地土类型为中软土。建筑场地类别为二类场地。设计时不必考虑地震液化影响。土层从上到下由杂填土，残积砂质粘土，全风化岩，强风化岩，中风化岩组成。根据本工程特点及土层分布情况，设计采用高强预应力管桩，平均桩长约15米，桩径500，单桩承载力特征值2000kN，基础持力层为强风化花岗岩。各建筑单体高度相差不大且桩端持力层条件较好，因此设计时各单体之间未设置沉降缝。沉降计算满足规范要求，沉降观测所得沉降值小于20mm。

2结构设计选型

本工程由于建设单位要求，在一层设置22.3×50米泳池，形成了一个跨度33米的大跨度空间。在初步设计时发现，33米跨大梁如果按混凝土结构设计的话，大梁自重在结构荷载中所占的比重过大，结构形式的合理性存在问题。因此经过多种比较，最终确定大梁采用钢桁架梁。根据大跨度梁的结构形式，设计中确定了结构楼面采用钢结构体系。本工程平面为扇形，楼面承重体系中楼板采用压型钢板形成的非组合楼板体系。这样设计主要是考虑:虽然非组合楼板体系板配筋量略大于组合楼板体系，但省去了压型钢板涂刷防护涂料的费用和工时，整体考虑造价还是合适的。楼面梁在扇形外边缘跨度达到12米，断面为H600×200，33米大跨桁架高度根据建筑功能要求高度设计为2米，22米跨主梁为1.3米焊接H型钢梁。由于结构平面布置较空旷，本工程竖向支撑构件为钢管混凝土柱，以提高结构的抗侧刚度，减小地震力作用下结构的侧向变形。截面直径为700mm及600mm。水平受力由框架梁、柱、及斜支撑体系构成。斜支撑截面为:H300×300及H350×350。钢结构楼面的条件下，可选的抗侧力体系有两种:一是采用钢筋混凝土剪力墙加上钢框架即混合结构的形式，另一种是采用带斜支撑的钢框架。两种方案对比如下:混合结构的优点在于:剪力墙布置位置较灵活，结构布置对建筑平面影响小;剪力墙可提供较大的侧向刚度，能够很好地解决钢框架结构侧向刚度不足的问题。但这种结构形式目前存在较大争议，在国外的应用不多。主要原因在于一些研究者认为:剪力墙与钢框架对比，剪力墙刚度大，相对承载力较小;而钢框架承载能力好但抗侧刚度差。二者存在于同一抗侧力体系中时，剪力墙由于刚度大，吸收了较多的地震力，但因为其较小的承载能力而率先破坏;剩余的钢框架容易因变形过大而引起结构失效。混凝土剪力墙与框架系统由于刚度差异不易形成共同受力共同耗能的机制。虽然在我国实际建成的工程实例比较多，但目前的理论研究滞后于工程实践，我们对这种结构的受力特性了解不够深入。带斜支撑钢框架体系的特点在于侧向刚度大，延性好，同时结构受力合理，体系明晰，但钢支撑的布置对建筑平面有一定的影响。通过与建筑专业的配合，可以把这种影响控制在可以接受的范围之内。通过比较，本工程选择了带斜撑钢框架结构体系。

3结构设计分析

本工程采用PKPM、Midas－building进行上部整体结构分析计算，设计结果以Midas－building输出为主要依据，PKPM设计为辅。由于PKPM对于格构柱与桁架梁的断面输入不太方便，采用PKPM软件设计时将楼层桁架梁截面根据截面积及抗弯刚度等效的原则简化为型钢梁，简化的合理性可以通过软件计算结果对比作出判断。本工程结构嵌固层设置于地下室顶板面，地面以上主体结构六层。为配合建筑布置和功能需要，上部结构每隔一层大面积透空，所余面积不足外墙轮廓线内面积的30%，楼面的整体性受到很大的削弱，楼板水平传力途径在本层不连续，空间的整体受力会受到影响。因此，整体计算中结构楼板采用弹性膜假设计算;同时除了采用整体计算分析，本工程采用3d3s软件建立了平面框架模型，作为整体结构设计的补充。计算结果表明，平面框架模型计算得到的结构构件应力普遍大于整体模型计算结果，但设计断面可以满足计算要求。

4结构设计不规则及应对

建筑平面偏心布置的考虑:本结构由于建筑平面布置的原因，每隔一层形成一个偏心的大空旷平面。从计算结果可以看出由于夹层处质量的偏心，造成结构自振周期中扭转的比例较大。因此结构布置时根据计算需要，在建筑影响较小的位置加强人字支撑的刚度，以调整质量分布不均造成的扭转影响。按计算结果，层间最大水平位移与层间平均水平位移的比值控制在了1.4以内，略大于规范规则性的规定。但由于层间位移角远小于规范限值，因此结构在水平作用力下的扭转是完全可以接受的。结构大开洞的考虑:结构隔层大开洞，在夹层中，造成楼面板的平面刚度不连续。因此，整体计算时考虑了开洞影响，将全楼楼板设为弹性膜以考虑楼板在平面内的实际刚度。同时，在整体计算之外，增加局部框架的计算，以考虑在楼板不能连续传力情况下局部框架的受力。根据计算结果，局部框架的受力可以满足设计要求。性能设计的考虑:本结构楼面大开洞，楼盖大跨度，同时质量重心偏置，形成了较不规则结构。设计时，为保证常遇地震作用下结构的安全性，对于一些重要构件提高了性能设计验算的要求。虽然本工程层数较少，总高不大，但楼层间质量、刚度都相差较大，竖向不规则，采用静力弹塑性分析与本工程高阶振型地震作用较大的实际情况不相符，因此本工程的性能设计采用的是拟弹性法。具体考虑为:框架柱抗弯抗剪均验算至中震弹性，斜撑构件为轴向受力构件，验算至中震不屈服，相应节点均采用等强连接。通过以上措施，在设计过程中对结构不规则部分进行了验算及加强，提高了结构安全度。

5楼盖结构舒适性的验算

体育馆钢结构楼盖由于跨度大，隔墙等非结构构件数量少，因此楼盖阻尼小，基频低。在人员活动时可产生竖向振动，当振动超过一定限值时容易引起使用人员的不适与恐慌。因此，在设计过程中应对楼盖结构的振动舒适度进行控制。本工程楼盖结构跨度较大，体育馆两跨运动场地主框架分别为达到33米、22米，开间最大12米，楼盖刚度较小，楼板振动不可忽略。本工程在2010年8月份完成施工图审查时《高规》与《混凝土规范》均未对楼面振动进行规定，当时国内建成的钢－混凝土混合楼盖主要用于高层及超高层商住楼，楼面的使用功能以住宅，办公居多，其计算楼面振动与目前2010版《高规》一样，计算的是步行荷载对于楼盖振动舒适性的要求，见于《高规》2010版3.7.7条及附录A。但《高规》条文仅适用于步行激励荷载产生的振动，对于间奏激励荷载产生的振动未作规定，并不太适合体育馆建筑的楼面舒适度计算。因此，楼面设计时参照ASIC11对于间奏激励荷载分析的相关规定对楼盖振动做了计算。

6结论

(1)结合现场勘察条件及使用功能，给出了多层体育馆大跨度主体工程的体系选择及设计，实现了业主对于室内空间的特殊使用要求。(2)对结构采用多软件建模计算，充分考虑了楼面削弱对计算产生的影响，实现了计算模型与力学模型的一致。(3)对于重要构件采用拟弹性法实现了构件抗震性能设计，对重要构件进行了适当加强，提高了结构安全度。(4)对楼盖结构采用目前较先进的楼面振动控制理论与方法进行了分析，并为使用过程舒适度的调整预留了荷载。

作者:潘浩 单位:福建清华建筑设计院有限公司