為了更好地促進(jìn)與業(yè)界同仁間的深入交流，分享項(xiàng)目實(shí)際所獲，我們特別開設(shè)“HNAD技術(shù)專欄”。在這個(gè)專欄中，我們將會(huì)深入探討項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心要素，細(xì)致分享我們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)和洞見，以期為建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供些許啟發(fā)和價(jià)值。

本期為大家?guī)淼氖?/span>“鄭州中學(xué)高中部外遷項(xiàng)目體育館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”案例賞析，稿件由河南省院結(jié)構(gòu)研究室王世權(quán)整理供稿，在此特別感謝。

 

一、工程概況

鄭州中學(xué)高中部外遷項(xiàng)目體育館位于鄭州市西北部，蓮花街與紅松路交叉口東南角。該項(xiàng)目地下二層，地上二層。中部區(qū)域地下一層和一層通高，為游泳館；二層為籃球館。地下二層層高4.0m，地下一層層高3.0m，地上一層層高5.0m，地上二層層高9.8m。室內(nèi)外高差0.45m，檐口結(jié)構(gòu)高度為15.950，屋脊結(jié)構(gòu)標(biāo)高最高點(diǎn)為20.45m?？偨ㄖ娣e12486m²。

結(jié)構(gòu)體系：鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)

樓蓋體系：游泳池頂蓋采用現(xiàn)澆砼空腹拱架梁；籃球場(chǎng)屋蓋采用倒三角形立體管桁架。

  

  現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片                                               建筑橫剖面圖

二、體系建構(gòu)

本項(xiàng)目一層游泳館短向跨度29.2m，二層籃球館短向跨度41.2m，屬于典型的兩層大跨結(jié)構(gòu)。樓蓋體系的恰當(dāng)選擇是該項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

游泳館樓蓋體系建構(gòu)

首層游泳池為標(biāo)準(zhǔn)的8賽道50米游泳池，游泳館樓蓋平面尺寸為63mX29.2m，層高8m，兩側(cè)有夾層，層高分別為3m和5m。

游泳館樓蓋體系建構(gòu)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的三個(gè)因素：

大跨度：29.2m，如果采用普通砼結(jié)構(gòu)會(huì)極其笨重，結(jié)構(gòu)效率低；

環(huán)境潮濕：如果采用鋼結(jié)構(gòu)，防腐是個(gè)特別突出的問題，后續(xù)對(duì)日常維護(hù)要求高；

舒適度：二層為籃球館，舒適度也是重要的控制項(xiàng)。

為了能較好解決上述問題，本項(xiàng)目中，借鑒上承式拱橋的結(jié)構(gòu)形態(tài)，采用砼空腹拱架梁來實(shí)現(xiàn)29.2m的跨越。砼空腹拱架梁由下弦拱、豎向腹桿和上弦水平梁構(gòu)成，拱腳生根在下層樓層位置。

上承式拱橋案例：重慶萬縣長(zhǎng)江大橋

典型榀砼空腹拱架梁立面

本樓蓋共采用了六榀砼空腹拱架梁，垂直于拱架梁設(shè)置與豎向腹桿一一對(duì)應(yīng)的單向次梁。為了進(jìn)一步提高下層樓蓋對(duì)下弦拱的側(cè)向約束能力，該層板厚適當(dāng)加厚，雙層雙向拉通配筋，在拱腳對(duì)應(yīng)的地下臨墻跨增加生根于基礎(chǔ)的剪力墻。

因?yàn)榭崭构凹芰和ㄍ感院?，一榀榀排列過去形成拱廊，韻律感強(qiáng)，且越到中部區(qū)拱架梁所占空間越小，會(huì)讓游泳館擁有更豐富、舒適的空間。

游泳館樓蓋模型透視圖

籃球館屋蓋體系建構(gòu)

籃球館共有席位2711個(gè)，其中活動(dòng)座椅884個(gè)；籃球館屋蓋長(zhǎng)69m，寬41.2m；兩側(cè)有夾層，層高分別為5.44m和4.36m。

該建筑整體上是歐式風(fēng)格，屋蓋造型較為復(fù)雜，四面斜坡，東西兩側(cè)有老虎窗；屋頂沿Y向布置了五條采光帶；

經(jīng)過反復(fù)比選，屋蓋采用了沿短向布置的倒三角形變高度立體管桁架結(jié)構(gòu)，管桁架采用相貫焊節(jié)點(diǎn)，共六榀?？珊芎脤?shí)現(xiàn)建筑上簡(jiǎn)潔、通透的效果。屋面采用直立鎖邊鋁鎂錳金屬屋面。桁架支座采用成品抗拔球鉸支座以實(shí)現(xiàn)理想的鉸接效果。

三、模型建立

本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組；多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值為0.12；

建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.4s；

建筑抗震設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防類；

阻尼比：鋼材為0.02，砼為0.05，混合結(jié)構(gòu)阻尼比由程序通過應(yīng)變能因子法準(zhǔn)確計(jì)算；

基本風(fēng)壓: Wo=0.45kN/m2(重現(xiàn)期 R=50)，地面粗糙度為B類。

基本雪壓：So=0.45 kN/m2(重現(xiàn)期 R=50)。

游泳館樓蓋建模

材料：砼強(qiáng)度等為C40，桿件縱筋和箍筋均采用HRB400鋼筋。

荷載：活荷載4.0 kN/m²，恒載1.0kN/m²（該恒載不包括結(jié)構(gòu)自重）；

砼空腹拱架梁基本參數(shù)：榀距為9m，弦桿中心線距離在兩端為5m，跨中為1m。下弦拱矢高為4m，矢跨比為1/7.3。

上弦桿截面：600X500，下弦拱:600X500/800；

豎向腹桿：間距2.1m，從跨中至兩端腹桿所受剪力逐漸減小，腹桿截面高度500（垂直拱架方向），寬度由500減小至300。

單向密肋梁：樓蓋對(duì)應(yīng)腹桿位置設(shè)置垂直于拱架梁的單向密肋梁，梁截面250X500;

現(xiàn)澆砼樓板：100厚。

YJK模型

Gen模型

籃球館屋蓋建模

鋼材：管桁架采用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，Q345B鋼；

荷載：

屋面恒荷載：金屬屋面0.5kN/m²，玻璃采光頂1kN/m²；

屋面活荷載：0.5 kN/m²；

馬道及場(chǎng)地照明：恒載1.0kN/m，活載3.0kN/m；

活動(dòng)舞臺(tái)燈光：3.0kN/m²（按活荷載考慮）

溫度作用：鄭州市最高基本氣溫Tmax=36°C，最低基本氣溫Tmin=-8°C，屋蓋合攏溫度區(qū)間設(shè)定為15°C~20°C，則升溫△T=21°C，降溫△T=28°C。

基本風(fēng)壓：Wo=0.45kN/m²（n=50年），地面粗糙度按B類，屋蓋中部高度：20.000m（檐口高度，屋蓋中部高度為17.950m）。

管桁架桿件單元選擇：

弦桿：采用梁?jiǎn)卧?/span>

腹桿：可采用梁?jiǎn)卧蜩旒埽U）單元

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)采用相貫焊接，在腹桿兩端存在一定約束，并非理想鉸接，屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。故采用梁?jiǎn)卧蜩旒軉卧梢砸暻闆r而定，當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，以采用梁?jiǎn)卧獮楹谩?duì)比過幾個(gè)案例，正常情況下，兩者結(jié)果相差很小。一般規(guī)律是：腹桿采用梁?jiǎn)卧獙?duì)桿件設(shè)計(jì)偏安全，采用桿單元撓度驗(yàn)算偏安全。（當(dāng)桿件長(zhǎng)徑比不滿足《鋼規(guī)》10.1.4.2條要求時(shí)，要采用梁?jiǎn)卧?。本?xiàng)目桿件強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)采用梁?jiǎn)卧旒軗隙闰?yàn)算時(shí)采用桿單元。

主桁架：

該籃球館屋蓋跨度為41.2m，采用直立鎖邊鋁鎂錳金屬屋面，沿短跨兩坡排水，排水坡度5%。立體管桁架采用中間高兩端低高度漸變的立面形態(tài)，以契合屋面坡度，下弦桿保持水平。桁架高度從中部的3.5m漸變至端部的2.7m，高跨比：3.5/41.2=1/11.8。上弦桿間距為3m，腹桿節(jié)間距中部區(qū)域?yàn)?.05m，兩端區(qū)域?yàn)?.8m。

邊界：屋蓋結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析時(shí)，一端采用鉸接，一端沿桁架方向單向滑動(dòng)；整體拼裝分析時(shí)，桁架與下部結(jié)構(gòu)之間鉸接。

整體穩(wěn)定系統(tǒng)：

封邊桁架：立體桁架采用下弦支撐時(shí)，應(yīng)有可靠的防側(cè)傾體系。

剛性系桿+斜拉條：形成了有效的上弦面內(nèi)穩(wěn)定系統(tǒng)，因?yàn)榧咕€不在正中央，故中間采用雙剛性系桿。

籃球館屋蓋管桁架結(jié)構(gòu)透視圖

整體模型透視圖

YJK整體拼裝模型

Gen整體拼裝模型

 

四、分析及結(jié)果

管桁架屋蓋先采用Midas Gen進(jìn)行單獨(dú)分析，對(duì)管桁架桿件截面進(jìn)行初選，然后采用YJK進(jìn)行整體拼裝分析。又用Midas Gen進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析。YJK分析結(jié)果與Gen分析結(jié)果吻合較好。這里主要提取了游泳館樓蓋和管桁架屋蓋的部分分析結(jié)果。

游泳館樓蓋分析結(jié)果

典型榀空腹拱架梁立面圖

典型榀空腹拱架梁彎矩圖

典型榀空腹拱架梁軸力圖

典型榀空腹拱架梁剪力圖

典型榀空腹拱架梁剪力圖

管桁架屋蓋分析結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化比選，最終管桁架上弦桿截面采用φ219X10，下弦桿截面φ245X14，受拉腹桿采用φ121X6，受壓腹桿中部區(qū)域采用φ121X6，兩端區(qū)域采用φ133X8，與支座相連斜腹桿采用φ133X8。桿件驗(yàn)算比均控制在0.8以內(nèi)。

典型榀管桁架驗(yàn)算比（GHJ1）

撓度驗(yàn)算：跨度L=41200，變形量：△L=87mm

則：△L／Ｌ＝91/41200=1/473<1/400，滿足規(guī)范要求。

典型榀管桁架變形圖（GHJ1）D+L

管桁架支座

采用成品抗拔球鉸支座

五、施工要求

砼空腹拱架梁施工要求

砼空腹空腹拱架梁施工時(shí)要待上弦、腹桿及下弦拱砼強(qiáng)度等級(jí)均達(dá)到100%后，從上而下拆除模板。嚴(yán)禁先行拆除下弦拱的模板。拆模時(shí)，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形觀測(cè)。

 

管桁架施工要求

管桁架施工安裝時(shí)，應(yīng)從一端的兩榀桁架開始，待該兩榀桁架的穩(wěn)定桁架、剛系桿以及鋼拉條全部安裝完畢，并校正其垂直度、水平定位后，再逐次安裝相鄰榀桁架。

主桁架拼裝過程中，先固定一端，另一端只進(jìn)行側(cè)向限位處理，待整個(gè)屋蓋安裝完畢（包括屋面維護(hù)系統(tǒng)）且進(jìn)入結(jié)構(gòu)合攏溫度區(qū)間后，方可固定另一端支座。

六、項(xiàng)目完工實(shí)景照片展示

首層游泳館

二層籃球館

七、結(jié)語   

游泳館樓蓋采用現(xiàn)澆砼空腹拱架梁體系，規(guī)避了普通鋼結(jié)構(gòu)樓蓋在潮濕環(huán)境中防腐處理的難題，較好地平衡了結(jié)構(gòu)效率和建筑觀感，雖然跨度接近30米，結(jié)構(gòu)看起來依然輕巧通透。樓蓋次梁與豎向腹桿一一對(duì)應(yīng)，更加強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)自身的韻律感。

籃球館屋蓋跨度更大，屋面采用金屬屋面，荷載較小，故采用單向布置的立體管桁架結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的跨越和建筑觀感上的簡(jiǎn)潔有序。立體管桁與采光帶交錯(cuò)布置，相得益彰。

本項(xiàng)目是一個(gè)典型的兩層大跨案例，該工程實(shí)踐為多層大跨結(jié)構(gòu)提供了一種解決方案。