浅谈白坭体育馆的结构设计

　　摘要：由于建筑功能的要求和建筑装饰的需要，体育馆建筑最突出的特点就是大跨度、大空间。这就要求屋盖须采用网架、网壳等钢结构，主体结构一般采用钢筋混凝土结构，屋顶一般为大跨度空间网架或钢构架，各楼层周边布置看台等。由此，如何实现网架结构在计算与混凝上结构连接的空间刚度模拟，如何保证主体结构的空间稳定成为了体育馆建筑结构设计的关键问题。下面通过佛山市三水区白坭镇白坭体育馆为例，介绍设计中应注意的要点问题。
　　关键词：体育馆；框架结构；钢筋混凝土；设计计算
　　1、工程概况：
　　白坭体育馆位于佛山市三水区白坭镇白坭中心小学旁，主体为钢筋混凝土框架结构，屋盖为上盖EPS夹芯隔热板。局部办公区为三层框架结构，球场区域采用钢筋混凝土排架结构。建筑总面积为5841平方米，占地面积为3277平方米，建筑总高度为18.95米。建筑层数：地上三层，场馆内配有乒乓球场、器材室、办公室、四周设计观众席位数为1500个，室内设一个篮球场和一个276平方米的舞台。该工程的透视效果图如图1所示。
　

透视效果图如图1
　　2、主体结构设计
　　本工程馆内除了在一、二、三层的周边设置休息室、卫生间、排练室以及馆内所必须的观众席位外，中间大部分为空旷场地。整个一层平面总长度为85.8×81.2m,根据平面布置特点和屋面曲面造型要求,主体采用钢筋砼框架结构,屋面采用空间网壳结构,并将网壳的支座均匀布置于四周框架柱顶上直接传力,避免转换。虽然内部空间复杂、中间空旷、看台布置要求设置大跨度斜梁与柱交接等不利要求给结构布置带来困难,但经过多次方案优化,基本上做到平面纵横正交、传力明确、整体结构空间作用明确,无特别薄弱环节等特点。
　　2.1内力分析
　　2.1.1计算分析程序的选用
　　该工程为内部空旷结构,楼层的概念在这里不明确,更多的是反映出空间整体的受力特点,鉴于其布置及受力特点,采用了能比较充分地考虑该结构特点并具有楼板弹性假定及斜杆分析能力的空间有限元分析软件SATWE进行主体混凝土框架结构的分析,屋顶采用空间网架结构分析设计程序《北京云光SFCAD2002》进行内力分析及构件验算，并对一些局部特殊构件辅助用平面框架进行补充分析计算,基本上达到设计要求。
　　2.2结构分析：
　　白坭体育馆工程根据建筑平面、体型和功能的具体要求，综合结构受力情况，其屋顶采用钢网架结构，上盖强波型EPS夹芯隔热板。局部办公区为三层框架结构，球场区域则采用钢筋混凝土排架结构。图2即是该工程的剖面图。
　　图2-剖面图

剖面图
　　2.3荷载作用及相关参数的选用
　　白坭体育馆工程设计使用年限为50年,相关使用活载的取值没有什么特殊要求,基本上按照“建筑结构荷载规范GB50009-2001”执行,设计基本风压取值为0.5kN/m2,地面粗糙度B,风载体型系数选取时遇到一定的困难,主要是此形状建筑物风载体形系数规范上没有可参考的经验系数可利用,按理应进行风洞试验手段来确定,由于白坭镇体育馆基建投资比较紧张,最后,只好通过多方途径收集国内一些类似形状的建筑物的取值作为参考,以确定出一个较为合理安全的数值。根据《建筑结构荷载规范》的要求，该工程所在区域的基本风压较小,经多次计算分析,风载作用并不非常明显,故选取值基本上能保证结构安全。
　　3、整体结构分析
　　3.1通过整体分析求解钢、砼连接界面各构件在各种工况组合下的内力,进行相应构件的设计,确保整体结构安全.
　　3.2通过总装分析,揭示砼结构的弹性支承对上部钢结构的影响,校核上部钢结构,确保整体结构安全.特别是拉索预拉力的损失对支撑结构的变形非常敏感.
　　该工程网架承受的荷载包括:沿网架曲面均匀分布的自重和静载q=0.5kN/㎡水平均布活载q=0.5kN/㎡基本风压W0=0.5kN/㎡。由于拱形网架具有拱的受力特点，两纵边支座若为法向约束则对下部结构必然具有推力，放松法向约束后荷载作用会使支座处产生较大的水平位移.
　　3.3网架在结构计算中的处理方式
　　3.3.1如果认为网架平面刚度无穷大,则可以输入一板厚,按楼板刚度无穷大计算；
　　3.3.2如果网架与结构通过柱顶连接,则可以设一个刚性梁,两端与柱铰接,楼板按开洞处理；
　　3.3.3如果网架与框架结构连接为多点弱连接(与框架梁、框架柱连接点较多,且仅通过埋件连接),则可以输入一板厚,按弹性板理论计算。
　　3.4、弹性楼板:弹性膜是真实计算板的平面内刚度,不考虑平面外刚度;弹性板3为程序假定楼板平面内无限刚,真实计算楼板平面外刚度;弹性板6为程序真实计算楼板平面内和平面外的刚度。白坭镇白坭体育馆工程的网架整个外形呈波浪形,设计高度为2.0m,结构形式为上中下三层网壳,网格形式为正方四角锥,支撑采用中弦支撑,节点为螺栓球连接。网架在平面内刚度是非常大的,但该工程网架与框架结构连接为多点弱连接(仅通过梁顶或柱顶的埋件焊接),故网架平面外刚度很小。所以在模拟网架刚度时采用了定义板厚为200mm,用弹性膜理论进行框架结构计算。
　　4、构造处理和看台设计
　　4.1构造加强
　　该工程在看台标高处存在明显的薄弱部位，设计时对此处的楼板通过增加板厚，设置双层双向钢筋网来加强。
　　4.2钢筋混凝土拉梁的设置
　　为减小柱的计算长度和增强结构的刚度与整体性，在柱纵向设置了多道拉梁，截面为300mm×500mm,拉梁纵筋通长配置。
　　4.3看台设计
　　看台采用现浇板式齿口梁，梁宽150mm,高度由相邻两台阶高差而定（因建筑上看台台阶高是由视觉高度而定的，每个台阶高度不一致），加强了的齿口梁“折板结构”，不仅整体性好，刚度大，而且自重轻、造价低，美中不足的是施工相对复杂些。
　　为了保证结构安全,我们在设计中还采取了一些抗震措施.该工程结构平面为一近似环状结构,要力求使建筑几何中心与结构刚度中心靠近,以便减少地震对建筑结构产生的扭转力矩。故特别加强了楼板的刚度和延性,各层楼板厚120mm,采用底面双层双向配筋；框架梁主筋采用贯通式!以加强框架的整体性;观众席大悬臂梁内采用6肢封闭抗扭箍筋,以加强大悬臂梁的抗扭能力;在短柱、楼梯、设备孔洞等应力集中处另采取局部加强措施.
　　5、小结
　　通过佛山市三水区白坭镇白坭体育馆工程的设计，我们可以看到,一个合理的计算模型、合适的分析方法对体育馆这种体型复杂的大空间钢筋混凝土框架主体、网架屋顶进行结构设计是非常重要的,否则上下两种结构之间的相互作用无法准确模拟。总之，有结构的概念设计和方案优化,构造措施上的保证是设计成功的关键。
　　参考文献
　　【1】JGJ7-91网架结构设计与施工规程；
　　【2】建设部.GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社,2001.；
　　【3】GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].2713-2679
　　【4】GB50009-2001建筑结构荷载规范；
　　