济南奥体中心网球馆结构设计

　　济南奥林匹克体育中心网球馆下部采用混凝土框架剪力墙结构, 上部钢结构按建筑功能的不同采用不同的结构形式, 包括管桁架结构、工字钢梁结构、中心赛场悬挑空间折板罩棚结构、空间折板墙体结构. 对钢结构进行静力、动力、屈曲分析和节点有限元分析, 采取措施增强折板结构的平面外刚度, 并通过总装分析研究下部混凝土结构对上部钢结构的影响. 经分析, 受下部混凝土结构界面弹性支承的影响,上部钢结构在温度、地震作用下受力与单体时相比均有差别, 且在连接界面处的杆件受力不均。

　　济南奥林匹克体育中心位于济南市区东部，2009年第十一届全国运动会将在这里举行. 建筑设计分为东西两区, 西区布置体育场及训练场, 东区布置体育馆、游泳馆以及网球中心等, 见图1. 其中网球中心赛场形近似一"逗号”， 南北长约171m, 东西宽约223m, 占地面积20600m2 , 建筑面积31400m 2,地下一层, 地上四层. 看台规模约4000 座, 顶部标高14m, 看台及功能用房采用钢筋混凝土框架剪力墙结构。上部钢结构根据不同的建筑分区以及结构经济合理性分别采用不同的结构形式, 其中室内网球馆采用管桁架结构, 中庭屋盖采用工字钢梁结构, 中心赛场罩棚采用悬挑空间折板结构, 墙面采用空间折板结构, 建筑上形成柳叶造型, 和其他两馆一场相呼应. 墙体屋盖钢结构由南向北减低, 最高点标高31.3m, 最低点21.3m , 最大跨度38.5m, 中心赛场钢罩棚悬挑14m。

　　1.结构形式

　　钢结构不同结构形式的布置见图2 和图3, 其中中心赛场罩棚折板高度端部1.4m, 根部2m, 向场内悬挑14m, 根部支承桁架谷深2m , 与悬臂结构自然衔接, 见图4. 外墙面折板结构谷深3m, 与幕墙钢柱结合形成菱形组合柱, 改善了折板结构的平面外稳定性, 见图5. 室内网球馆管桁架结构以中庭的混凝土柱作为支座, 桁架跨度38.5m,高2.5m, 桁架间最大间距约9.3m, 桁架间上下弦均布置水平系杆,系杆间距7.5m , 端部加设水平交叉支撑以增强屋盖整体性. 中庭屋面跨度18.5m ~ 28m, 采用工字钢梁, 跨度较大处采用变截面工字钢梁。

　　钢结构支座分别支承于下部混凝土结构框架柱、框架梁、基础或型钢混凝土柱。

　　2.钢结构单体分析

　　整体分析及钢结构设计采用SAP2000 有限元分析软件, 混凝土结构设计采用ET ABS 有限元分析软件. 设计主要考虑如下荷载。

　　屋面静荷载金属屋面0.6kN/ m2 ( 考虑保温以及防水做法) , 局部吊顶荷载0.5 kN/ m2, 悬挂荷载根据相关专业提供的设备重量、平面布置及马道的平面布置按实际情况输入. 墙面静荷载金属墙面0.3kN/ m 2. 结构构件自重由程序自动计算确定。

　　屋面活荷载0.5 kN/ m2.

　　基本雪压0.35 kN/m2, 对于罩棚折板屋面, 考虑积雪分布系数u, 如图6。平屋面雪荷载小于活荷载, 按活荷载取用。

　　风荷载按规范及风洞试验报告双控取值, 风洞试验报告由同济大学土木工程防灾国家重点实验室提供。

　　建筑抗震设防分类为丙类, 抗震设防烈度6度,场地土类别为I类. 根据拟建场地安评报告, 地震作用按以下取值: 50年超越概率63%时, 地面水平地震峰值加速度为17gal, 地震影响系数最大值为0.041, 场地特征周期0.37s; 50年超越概率3%时,地面水平地震峰值加速度为 86g al, 地震影响系数最大值为0.219, 场地特征周期0.61s。

　　设计合拢温度取为15℃ , 墙体升温+25℃ , 降温- 25℃ , 其它部分升温+ 20℃ , 降温- 20℃. 温度组合值系数取为0.6。

　　结构设计控制指标屋面跨中挠度≤ L/400(L为跨度) , 罩棚前端挠度≤L/150(L为罩棚悬挑长度) , 罩棚竖向自振频率≥1.0H z, 杆件最大组合设计应力≤0.9f (f为钢材设计强度) , 杆件长细比≤150, 结构整体稳定及受压构件局部稳定线弹性屈曲荷载系数K≥10。

　　钢结构主要杆件截面如表1所示

　　2.1静力分析结果

　　结构静力作用下结构位移及杆件应力水平如表2及图7。

　　2.2 模态分析结果

　　结构第一阶振型为尾部山墙的平动，第2 阶振型为室内网球馆钢结构折板墙面平面外方向的振动, 结构扭转(见图 8) , TT / T1=0.507/0.551=0.92>0.90，总装分析,TT/T1<0.9。

　　2.3 屈曲分析结果以及杆件计算长度系数的选取

　　屈曲分析有助于发现屈曲对结构尤其是构件的影响。采用特征值屈曲分析得到各屈曲模态的荷载系数以及对应的屈曲形态. 图9显示SAP2000 线性屈曲分析结果,考虑初始荷载组合为1.0 恒+1.0 活。

　　由线性屈曲分析结果可知, 桁架上弦管299x10最先发生受压面外屈曲, 其临界荷载Nr= K .N= 9.7x517=5015kN(式中N=517kN为1.0 恒+1.0 活初始荷载下杆件的轴向压力) , 该杆件面外无支撑长度7.5m, 可得该构件计算长度系数:

　　因此, 设计时取屋面受压弦杆的计算长度系数为1.0, 折板弦杆及柱的计算长度系数也按此法确定为1.0。

　　3.总装分析

　　本工程上部钢结构通过连接界面支承于下部混凝土结构, 构成结构整体. 由于钢、混凝土两种材料本身材料特性以及上部钢结构、下部混凝土结构布置的差异, 必然带来整体结构在各种荷载作用下反应与单独钢、混凝土结构反应发生差异, 总装分析是必须的. 对本工程而言, 其必要性主要体现在以下三个方面。

　　( 1) 温度作用下, 上部钢结构、下部混凝土结构以各自平面内抗侧力刚心为不动点收缩( 负温) 或膨胀( 正温) , 由于上部钢结构与下部混凝土结构的温度作用不动点的位置不同, 导致支承界面发生相对差异变形, 钢结构以及钢、混凝土连接界面构件内将产生较大局部应力, 为评估该局部应力对整体结构的影响, 总装分析是必需的。

　　( 2) 单独钢结构分析中, 其混凝土结构支座按理想不动铰或固定端处理, 实际结构中, 由于连接界面的下部混凝土梁、柱是有限刚度的, 且混凝土材料存在收缩、徐变, 为反映混凝土结构的弹性支承以及徐变、裂缝、长期刚度退化对上部钢结构的影响, 也必须进行总装分析。

　　( 3) 在地震作用方向上, 由于刚度、质量以及地震波输入位置的差异, 整体结构与单体结构对地震作用的响应不同, 也必须进行总装分析。

　　计算中, 上部钢结构通过钢管柱、混凝土柱墩与下部混凝土结构相连, 钢结构与混凝土梁柱均采用刚接连续节点。阻尼比取值为0.02 及0.03，0.02用于总装分析中上部钢结构, 0.03用于总装分析中下部混凝土结构。总装分析的有限元模型见图10。

　　3.1静力分析结果

　　钢结构墙面弦杆通过混凝土柱墩与混凝土转换梁或混凝土柱相连, 如图11所示. 由于混凝土结构本身在竖向荷载以及温度变化下存在变形, 混凝土相连的钢结构柱底不再是固定理想约束, 变形协调作用使得钢结构的杆件内力分布和单体模型有所不同。图11中由左向右排布的钢结构杆件在恒+ 活竖向荷载作用下的杆件轴力分布见图12。受混凝土转换构件变形、刚度的影响, 总装模型中钢结构杆件在竖向荷载作用下内力分布明显不均匀。另外总装后钢结构的地震响应也较单体结构时有所放大, 吸收水平力较多的杆件, 如支撑、系杆等应力水平有所提高. 故本工程在总装分析后重新进行截面设计, 调整杆件截面使之满足要求. 钢结构杆件在总装模型下应力分布情况见图13。

　　3.2 模态分析结果

　　由于下部混凝土的有限刚度及变形, 钢结构的第一和第二周期都较单体钢结构有所加长, 但是振动形态基本相同(图14)。

　　4.钢结构节点设计

　　本工程管桁架结构以及折板结构均采用相贯节点,工字钢梁两端采用螺栓连接铰接节点. 相贯节点计算分析在有限元分析软件ANSYS中进行,采用solid45和solid92单元,所施加荷载为最不利设计荷载组合, 节点分析时对应力不足和应力水平较高的部位采取一定构造措施加强,如设加劲肋、增厚节点区主管壁厚等。典型节点分析结果如图15。

　　由节Von-Mises主应力云图可见,除个别点应力集中,应力水平略超过屈服强度外, 节点区域整体应力水平均在 200M Pa 以下, 可以保证结构安全。

　　5 钢结构施工

　　现场施工方案为桁架分片进行地面整体拼装,焊接主要在地面进行, 有利于确保焊接质量. 在拼装前对所有桁架进行电脑三维放样, 按照放样模型制作拼装胎架, 拼装过程中利用全站仪对桁架节点进行坐标定位, 确保桁架精度达到设计要求。

　　6.结论

　　( 1) 折板结构的平面外刚度较弱, 为保证结构的整体性作用, 结合室内的结构柱与墙面折板结构组成菱形及三角形组合结构, 有效增强了结构的平面外刚度。

　　( 2) 由线性屈曲分析的结果确定空间结构杆件的计算长度是可行而且方便的。

　　( 3) 混凝土结构自身在外部荷载作用下的变形以及收缩、徐变造成的刚度退化会给上部钢结构造成较大的影响, 需通过总装分析来确定整体结构的动力特性以及受力状态。

　　( 4) 复杂空间结构的节点是关键, 应通过有限元分析以及必要的结构构造措施保证节点的安全性。