梧州体育中心-体育场西看台钢罩棚结构方案设计终稿 梧州体育中心-体育场主看台钢罩棚结构方案设计 崔皓 1 胡可莘 2 周德勋 2 彭淳 2 （广西壮族自治区城乡规划设计院，南宁 530022） 摘 要：梧州体育中心-体育场主看台钢罩棚结构方案为斜拉折板空间网格结构。文中详细介绍了该结构体系 的特点、静力分析情况，通过SAP2000 的计算校核结果验证了该结构方案的安全性能，并分析了因增设连接件、 加劲板等附加构件自重对结构各项指标影响的敏感性。 关键词：斜拉折板空间网格 索 桅杆 SAP2000 THE STEEL SHELTER STRUCTURE DE...
设计 崔皓 1 胡可莘 2 周德勋 2 彭淳 2 （广西壮族自治区城乡规划设计院，南宁 530022） 摘 要：梧州体育中心-体育场主看台钢罩棚结构方案为斜拉折板空间网格结构。文中详细介绍了该结构体系 的特点、静力分析情况，通过SAP2000 的计算校核结果验证了该结构方案的安全性能，并分析了因增设连接件、 加劲板等附加构件自重对结构各项指标影响的敏感性。 关键词：斜拉折板空间网格 索 桅杆 SAP2000 THE STEEL SHELTER STRUCTURE DESIGN OF AUDIENCE AREA INWUZHOU SPORTS CENTRE STADIUM Cui Hao1 Hu Kexin2 Zhou Dexun2 Peng Chun2 (Guangxi Urban-Rural Planning Design Institute, Nanning 530022, China) ABSTRACT: Space frame structure based on cable-stayed folded plate was selected as the structural form of the steel shelter of audience area in Wuzhou Sports Centre stadium. The characteristics of the structural system and its static behavior were analysised. Safe performance of the structure was verified by SAP2000 calculation results, and effects on several structural indices due to the weight of connections, reinforced plates, and other additional components were studied. KEYWORDS: Cable-stayed folded plate; Space grid structure; Cable; Mast; SAP2000 1 工程概况 梧州市体育中心-体育场位于广西梧州市三龙大 道北侧的梧州市职业学院后的丘陵处,按照未来作为 承接大型田径体育和足球比赛的重要场地
进行设 计。体育场为长轴 224.00m、短轴 189.2m的椭圆形平 面（图 1），在东、西面设置两个看台，可容纳观众总 人数为 15146 人，总建筑面积 18454.13m2。 西看台罩棚为主钢罩棚，场外布置 7 组桅杆，折 板屋面材料选择透光率不同的膜材，通过结构剖分后 实现明暗相间的特殊效果。中间跨的主桁架跨度为 43.5m，高差 20.78m；折板形屋面前挑 6.00m，后挑 4.50m，前点高于桁架前端 6.70m。桁架间距约 40m， 主桁架两端通过直径 1.2 米的钢管相互连接。 东看台为次钢罩棚，覆盖面积为 1221 ㎡，后弧标 高为 14.460～17.103m，屋面向后倾角约 14°，即前 沿标高为 15.382～20.180m，最大前挑 11.070m，后挑 2.4m。通过 10 榀间距约 16m的钢管挑架形成刚性骨架，
面为膜结构。本文重点论述主看台钢罩棚结构设计。 图 1 梧州体育中心-体育场建筑效果图 2 结构体系 主看台钢罩棚为斜拉折板空间网格结构，场外沿屋 脊延长线组梭形桅杆，通过张拉桅杆后部的索， 以桁架尾部位于柱头的支座为支点提供逆时针方向的 力矩，与自重等荷载下产生的顺时针方向的力矩相平 衡，斜拉起单层的桁架折板屋面结构。另一方面，为 防止风吸力作用下屋面上挠过大，同时保证建筑力度 感，即保证桅杆后部的拉索在风吸作用的情况仍然不 允许退出工作，在三角桁架前端钢管内穿索施 第一作者：崔皓，广西壮族自治区城乡规划设计院，广西 南宁市东葛路 30 号，邮编：530022 Email: 加预应力拉至地面，形成前后索对拉屋面的结构形式 （图 2、图 3）。 折板屋面由两部分组成：一是从看台砼柱悬挑出 的正三角形桁架；二是桁架顶面的斜放桁架折形支撑。 桁架通过顶面的折形支撑相互联系，桁架尾部由环向 钢管支撑，桁架跨中通过若干索相互拉结，以增加稳 定性。 图 2 主看台钢罩棚分析模型轴测图 图 2 主看台钢罩棚分析模型顶视图 3 结构静力分析及杆件设计 3.1 荷载及荷载组合 根据该结构所处的地理环境、实际使用情况和《建 筑结构荷载规范》(GB50009-2001)[1]（以下简称“荷载 规范”），在结构设计考虑了 12种荷载工况，设计 荷载取值情况如下： 自重由程序自动计算；屋面恒荷载为 0.015kN/㎡； 屋面活荷载取 0.3kN/㎡；温度荷载为+30℃/-25℃；因 体型复杂，跨度大，风敏感度较高，基本风压按 100 年重现期取值，取 W0=0.35kN/㎡，地面粗糙度为 B类。 本工程外形特殊，荷载规范中无类似建筑的体形 系数可供参考，且结构跨度较大，根据《空间网格结 构技术规程》(JGJ7-2010)[2]（以下简称“网格规程”） 第 4.1.3条的规定，结构设计时采用广东省建筑科学研 究院通过风洞试验获得的体形系数进行计算。 根据结构的承载力极限状态与正常使用极限状态 的设计要求，本结构采用了 284组静力荷载组合，分 6 个模型（1.0恒载组合（正风）、1.0恒载组合（侧风）、 1.2恒载组合（正风）、1.2恒载组合（侧风）ky体育下钱、1.35恒 载组合（正风）、1.35恒载组合（侧风））进行计算。 3.2 结构分析模型 本结构采用 SAP2000 V14.0进行分析设计。钢管 网格及桅杆均采用梁单元模拟，拉索采用悬链线单元 进行模拟。由于结构体系平衡条件并不唯一，模型分 析时索体均按照索长固定的被动索采用几何非线性大 变形有限元进行计算。 根据“荷载规范”对于预应力作为永久荷载的定 义，同时，《建筑索结构设计计算与实例精选》[3]指出， 各荷载态计算模型均应以同一初始态条件进行计算。 因此，在计算 1.2倍及 1.35倍永久荷载组合时，模型 维持 1.0倍永久荷载组合时的初拉力，在保持初始态不 变的前提下，增设一拉索构件降温工况模拟施加 0.2 倍及 0.35倍预应力，0.2倍及 0.35倍恒荷载也在这一 工况下施加，保证荷载态边界条件的一致性。 桅杆及网格支座均采用固定铰支座。 3.3 结构静力分析 3.3.1 索力及索直径确定 索力及索直径的确定主要参照以下几个设计思路： (1) 各工况组合下主动索不出现松弛。 根据《上海市工程建设规范建筑结构用索应用技术 规程》DG/TJ08-019-2005[4]（以下简称“索规程”）第 5.4.10条分析钢罩棚各部分拉索重要性可知，桅杆后部 及桁架前端的拉索作为结构成形及施加预张力最主要 的构件，应特别控制其初始张力，保证它们在各工况 组合下均不退出工作。 (2) 正常使用极限状态要求 索初张力必须保证折板网格在正常使用极限状态 下满足网格规程表3.5.1条单层网壳悬挑结构容许挠度 不大于 1/200的要求。 (3) 初始态垂度控制要求 由于建筑追求索张拉引起的视觉力度感，主看台钢 罩棚设计时考虑了初始态拉索的垂度控制。根据索规 程第 5.4.11条文说明中的初始态垂度控制要求，即相 对垂度不大于 1/160，即能满足 5.3.5条拉索预张力的 设计取值。因此，西看台钢罩棚索的初拉力按照初始 态索垂度不大于 1/160进行控制。 由上述三个原则经反复试算并根据索规程第 5.4.9 条索抗拉强度的设计要求，最终确定了各索的直径及 初张力。表 1给出了各不同索截面初始态相对垂度的 最大值。表 2则给出了各索截面强度的验算结果。 表 1 结构初始态拉索相对垂度统计表 索截面 初始态索力kN 垂度 是否小于 1/160 7x265 3500 1/996 TRUE 5x109 195 1/195 TRUE 2x7x265 2100 1/224 TRUE 7x337 3500 1/745 TRUE 5x187 450 1/164 TRUE 5x13 100 0 TRUE 表 2 索截面强度验算表 索截面 破断力 拉力最大值 安全系数 是否大于 2 5x13 426 173 2.46 TRUE 5x109 3574 1405 2.54 TRUE 5x187 6132 1555 3.94 TRUE 7x265 17033.5 6453 2.63 TRUE 2x7x265 34067 5788 5.89 TRUE 7x337 21661.5 8453 2.56 TRUE 5x19 623 246 2.53 TRUE 3.3.2 网格杆件强度及稳定验算 根据 284组静力荷载组合计算结果获得了折板网 格杆件的强度及稳定验算结果（见表 3、图 3）。节点 按照刚接假设进行计算。对于各平面折板桁架，杆件 平面内计算长度取节间距离；平面外计算长度对于折 板上下弦考虑相邻折板及桁架对其侧向支撑作用按照 节间距离取用，腹杆采用节间距离。对于三角形主桁 架，杆件计算长度参照网格规程表 5.1.2进行。 由表 3可知，杆件强度仍有较大富余。这是由于 各杆件跨度较大（最大长 20m），大部分杆件截面主要 由长细比进行控制。且位置均集中于最外侧的折板， 这说明由于网格整体在空间上略微产生了一定的拱效 应，对边跨产生了一定推力，因此网格外侧局部构件 截面相对中部略有增大（共有 6根构件采用 630×20 的圆管截面并由强度控制），但并不明显。 表 3 杆件应力比统计表 索力组合 最大应力比杆件截面 最大应力比 1.0 恒（正风） 560×10 0.5531 1.0 恒（侧风） 630×20 0.5822 1.2 恒（正风） 560×10 0.5963 1.2 恒（侧风） 560×10 0.6488 1.35 恒（正风） 560×10 0.5621 1.35 恒（侧风） 560×10 0.5441 图 3 最大应力比杆件位置示意 3.3.3 结构位移 由于结构刚度偏柔且挑出长度较大，网格对风荷 载较为敏感，竖向位移最大值均产生于侧风组合下， 具体位置如图 4、图 5所示。向下位移最大值出现在中 部第二榀空间桁架顶端，最大位移 181mm；向上位移 最大值出现在侧边第二个折板尖端，最大位移 234mm。 位移最大值均小于网格规程对于单层网壳悬挑结构最 大挠度值 1/200的限值，满足规范要求。 图 4 竖向位移最大值（位移向下） 图 5 竖向位移最大值（位移向上） 3.3.4 网格整体稳定性分析 由于折板由平面桁架构成，且拱效应不强，网格 仍以弯曲应力为主，并未构成以薄膜应力为主的网格 薄壳。因此，网格的整体稳定可由构件的稳定验算进 行保证，网格出现弹性失稳的可能性不大。 4 附加自重敏感性分析 4.1 分析方案及分析方法 由于构件较长，部分杆件截面尺寸较大，且存在 较多节点连接，为充分考虑详图设计阶段可能增加的 附加板件造成结构自重增加对整体分析带来的影响， 设计取 1.0恒载组合（正风）模型考虑了自重增量 5%、 10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%这八组条 件下索力、杆件内力及位移的变化情况，由此获得结 构对自重的敏感性评价。 4.2 附加自重敏感性评价指标 4.2.1 附加自重对索力的影响 分析重点考察了桅杆后索及桁架前端拉索的索力 变化情况。得出以下基本结论： (1)后索： i.最大索力呈线性变化，但对自重增量并不敏感， 最终变化率不超过 10%，除正中索最大绝对值变化 280kN外，其余均为 75kN。 ii.最小索力呈线性变化，对自重增量由边到中敏 感程度加剧，但变化量不大，且为增量，对减小索垂 度有利，不会影响结构安全。 (2)前索 i.最大索力呈线性变化，但对自重增量并不敏感， 最终变化率不超过 10%，最大绝对值变化不超过 400kN。 ii.最小索力基本呈线性变化，对自重增量较不敏 感，最终变化率小于 25%，绝对值变化量不大，但需 适当考虑对索垂度 1/160控制值的影响。 4.2.2 附加自重对杆件应力的影响情况 分析抽样了其中几根杆件观察其应力变化情况， 以 310号杆件为例（表 4）。由表中可见，自重增量远 大于应力比增量比。由此可见，自重对杆件应力影响 程度较低。 表 3 310 号杆件应力比增量统计表 自重增量 杆件应力比 应力比增量比 0 0.489 0.00% 5% 0.502 2.66% 10% 0.516 5.52% 15% 0.529 8.18% 20% 0.542 10.84% 25% 0.556 13.70% 30% 0.57 16.56% 35% 0.583 19.22% 40% 0.597 22.09% 4.2.3 附加自重对网格位移的影响情况 分析考察了桁架最大位移的变化情况（表5、表6）。 由表中可见，由于拉索初始预张力较大，悬挑位移呈 线性变化，网格结构非线 自重倍数与向下位移关系表（25 号节点） 恒载倍数 向下最大位移（mm） 1 -180 1.05 -185 1.1 -189 1.15 194 1.2 -199 续表 5 自重倍数与向下位移关系表（25号节点） 恒载倍数 向下最大位移（mm） 1.25 -204 1.3 -208 1.35 -213 1.4 -218 表 6自重倍数与向上位移关系表（155 号节点） 自重倍数 向上最大位移（kN） 1 203 1.05 196 1.1 189 1.15 184 1.2 178 1.25 171 1.3 166 1.35 160 1.4 154 4.2.4 小结 由以上分析可以得到以下几个结论： (1)各索索力对结构自重增量敏感性较低，索力与 自重增量基本呈线性关系，证明索受结构自重影响极 小，杆件自重不是结构的主要荷载，可以不考虑连接 板自重增量对结构的影响。 (2)悬挑位移呈线性变化，网格结构非线)附加自重对结构影响程度较小。 4 结语 梧州体育中心-体育场主看台钢罩棚采用了斜拉 折板空间网格结构体系，结构形式较为少见。设计过 程研究了索力的确定方法，对钢罩棚做了静力分析并 对后续可能造成的自重变化做了敏感性分析。研究表 明，梧州体育中心-体育场主看台钢罩棚结构满足静力 荷载组合下的安全要求，结构体系可靠。 参考文献 [1]GB50009-2001 建筑结构荷载规范(2006年版)[S].北京：中国建筑工业出版社,2006. [2]JGJ7-2010 空间网格结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2010. [3]张其林 建筑索结构设计计算与实例精选[M].北京：中国建筑工业出版社,2009. [4]DG/TJ08-019-2005 上海市工程建设规范建筑结构用索应用技术规程[S].上海：上海市建设工程标准定额管理总站，上海市新闻出 版局，2005年第 093号.
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