1 工程概況

新疆喀什體育中心工程建設(shè)場(chǎng)地項(xiàng)目選址位于喀什老城區(qū)以東喀什經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi),下牙郎水庫(kù)以西,深喀大道以南,。規(guī)劃占地245513.85m2,凈用地面積218952.87m2,規(guī)劃建筑面積約6萬(wàn)m2,。建設(shè)內(nèi)容包括體育場(chǎng),、訓(xùn)練場(chǎng),、體育館、游泳館,即“兩場(chǎng)兩館”,。游泳館建筑面積16 807.6 m2,包括約1 000人看臺(tái),、10 m跳臺(tái)、比賽池,、辦公管理,、設(shè)備用房等。

游泳館主體部分平面形狀為矩形,平面尺寸約105.0 m×86.6 m,左側(cè)為弧形飄帶加斜柱結(jié)構(gòu),屋面最高處標(biāo)高為18.8 m,。游泳館下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),由框架柱支承鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架,。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 喀什游泳館整體結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1 The overall structure diagram of Kashi swimming pool

2 結(jié)構(gòu)選型及布置

本工程為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu),下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在泳池上方屋蓋部分為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架,其余部分屋蓋為混凝土屋蓋,。整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋覆蓋于游泳館頂部,形成一個(gè)封閉大跨度空間,。網(wǎng)架采用坡屋面,滿足建筑排水功能的需求,中間最高點(diǎn)為18.8 m,兩邊最低點(diǎn)的高度為16.4 m,高差為2.4 m。網(wǎng)架長(zhǎng)度為90.0 m,寬度為40.0 m,厚度為2.8 m［1］,。采用正放四角錐網(wǎng)架,支座節(jié)點(diǎn)采用焊接節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)全部采用螺栓球節(jié)點(diǎn),。鋼網(wǎng)架屋蓋的整體剛度大,減小由于下部泳池部分和看臺(tái)部分樓板缺失引起的各支座間的變形不協(xié)調(diào)［2］。

鋼網(wǎng)架采用下承式,通過(guò)彈性球型鋼支座支撐在38個(gè)框架柱上,如圖2,、圖3所示,。

圖2 喀什游泳館鋼結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖
Fig.2 The steel structure axonometric of Kashi swimming pool

圖3 喀什游泳館鋼結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.3 The steel structure diagram of Kashi swimming pool

3 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級(jí)

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0＝1.0。建筑抗震設(shè)防類別：丙類,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火等級(jí)：不低于二級(jí),。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載或作用

本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,地震分組為第三組,基本地震加速度值為0.30g,場(chǎng)地類別Ⅱ類,。

基本風(fēng)壓：依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.55 kNm2,；地面粗糙度為B類；根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),正風(fēng)工況下,屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)取0.5,風(fēng)振系數(shù)取1.0,；負(fù)風(fēng)工況下,屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)取-0.8,風(fēng)振系數(shù)取1.5,。［3］屋面附加恒載：0.70 kNm2,；馬道荷載：2.0 kNm2,包括馬道自重、強(qiáng)電燈具等,按設(shè)備專業(yè)要求位置布置,；屋面活荷載：0.5 kNm2,；雪荷載：0.56 kNm2（考慮荷載規(guī)范屋面分布系數(shù)1.25）。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋取整體設(shè)計(jì)溫差溫差：±30℃進(jìn)行溫度作用分析,。

3.4 主要的荷載工況

風(fēng)X和風(fēng)Y成對(duì)出現(xiàn),地震X和地震Y成對(duì)出現(xiàn),升溫和降溫成對(duì)出現(xiàn),以下省略風(fēng)Y,、地震Y和降溫對(duì)應(yīng)的組合,僅選擇有代表性的荷載：⑴1.35恒+1.4（0.7）活；⑵1.0恒+1.0活,；⑶1.2恒+1.4（0.7）活+1.4風(fēng)X,；⑷1.2恒+1.4活+1.4（0.6）風(fēng)X+1.4（0.6）升溫；⑸1.35恒+1.4（0.7）活+1.4（0.6）風(fēng)X+1.4（0.6）升溫,；⑹1.2（1.0恒+0.5活）+1.3地震X+0.5豎向地震+1.4（0.2）風(fēng)X,；⑺1.0恒+1.4（0.7）活+1.4風(fēng)X+1.4（0.6）升溫；⑻1.35恒+ 1.4（0.7）活+1.4（0.6）升溫,。

3.5 結(jié)構(gòu)分析軟件及用途

MIDAS上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的計(jì)算分析,、整體模型的計(jì)算分析、模態(tài)分析,、非線性分析等［4］,。

4 分析結(jié)果

4.1 整體模態(tài)分析

由于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋較輕,振型較為密集,結(jié)構(gòu)振型取45階后,X、Y,、Z三個(gè)方向的振型累計(jì)參與質(zhì)量才達(dá)到90%以上,。

從圖4中可以看出,整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足“平平扭”的結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律,屬于規(guī)則結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)下部剛度比屋蓋的剛度大,在結(jié)構(gòu)平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)比較明顯,。結(jié)構(gòu)第3階振型為扭轉(zhuǎn),扭平周期比T3T1=0.610.72=0.85＜0.9,滿足規(guī)范要求,。

圖4 結(jié)構(gòu)前6階振型及相應(yīng)周期
Fig.4 The first six modes and the corresponding period of structure

表1匯總了結(jié)構(gòu)前45階振型下結(jié)構(gòu)的有效振型質(zhì)量參與系數(shù),X、Y,、Z三個(gè)方向的有效振型參與質(zhì)量系數(shù)分別達(dá)到了97.91%,98.09%,91.20%,均大于90%,符合GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,。

表1 結(jié)構(gòu)前6階及第45階周期與累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)
Table 1 The first 6 and 45th cycles of the structure and the cumulative mass participation coefficient

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4.2 網(wǎng)架桿件應(yīng)力比分析

鋼網(wǎng)架的桿件采用Q345C鋼材,綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)性,確定構(gòu)件應(yīng)力比控制原則為：鋼網(wǎng)架等主要構(gòu)件的應(yīng)力比不大于0.85。網(wǎng)架主要受力桿件的應(yīng)力比在0.3～0.92之間,經(jīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在基本組合和地震組合作用下,桿件應(yīng)力比均滿足要求,。滿足GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定,。

根據(jù)汪毅俊,等［4］的研究,網(wǎng)架的失效主要是由于受壓桿件失穩(wěn),故通過(guò)加強(qiáng)壓桿來(lái)提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的極限承載力。在網(wǎng)架桿件的計(jì)算優(yōu)選中,通過(guò)應(yīng)力比的數(shù)值來(lái)判斷桿件截面是否達(dá)到最優(yōu),在用鋼量略有增加的基礎(chǔ)上,能夠顯著提高網(wǎng)架的極限承載力,。由于與桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)相應(yīng)的長(zhǎng)細(xì)比決定壓桿的穩(wěn)定系數(shù),所以在設(shè)計(jì)中,可以通過(guò)提高網(wǎng)架壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)來(lái)加強(qiáng)壓桿截面,。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力比小結(jié)：

⑴ 網(wǎng)架的大部分桿件應(yīng)力比均小于0.85,既保證桿件的承載力有一定的冗余度又充分發(fā)揮桿件的性能,滿足經(jīng)濟(jì)用鋼量的設(shè)計(jì)要求。

⑵ 從圖5可以看出,網(wǎng)架腹桿的應(yīng)力最大,下弦桿件的應(yīng)力比其次,上弦桿件的應(yīng)力比最小,大部分桿件的應(yīng)力比滿足小于0.85的限制,。在網(wǎng)架桿件的優(yōu)化過(guò)程中,可以優(yōu)先考慮優(yōu)化腹桿的應(yīng)力比,尤其是受力最大的網(wǎng)架中間部分的桿件,。

圖5 網(wǎng)架桿件的應(yīng)力比
Fig.5 The stress ratio of grid rods

⑶ 該工程中最大桿件180×10的應(yīng)力比最大值達(dá)到0.919,但是數(shù)量很少。從表2中可以看出每種截面的桿件最大應(yīng)力都在0.6～0.9的范圍之間,結(jié)構(gòu)桿件充分發(fā)揮作用,。

表2 桿件的最大應(yīng)力比
Table 2 The maximum stress ratio of grid rods

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4.3 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的位移

結(jié)構(gòu)豎向變形與跨度比值：

△z L＝96 mm43 200 mm＝1450＜1250,豎向最大位移為位于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的中央位置,位移滿足要求GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第A.1.1條中的規(guī)定,同時(shí)位移也滿足JGJ 7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.1條中的規(guī)定［5］,。各工況的豎向位移如圖6,。

圖6 鋼屋蓋豎向位移圖
Fig.6 The displacement of steel roof vertical（mm）

豎向地震和溫度升降30℃三個(gè)工況下網(wǎng)架的最大位移均滿足球形支座水平±50 mm的設(shè)計(jì)要求。一般認(rèn)為,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力主要是由于網(wǎng)架溫度變形受到支座節(jié)點(diǎn)的約束阻礙而產(chǎn)生的,。如果不考慮溫度數(shù)值改變的影響,會(huì)因?yàn)閭€(gè)別構(gòu)件的強(qiáng)度,、剛度不足而影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全,所以有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度荷載作用下的內(nèi)力分析和變形分析,用最合理的內(nèi)力設(shè)計(jì)構(gòu)件［6］?？κ灿斡攫^由于特殊的地理位置和使用功能,室內(nèi)外溫差較大,所以結(jié)構(gòu)在地震工況和溫度升降30℃這3個(gè)工況下,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的位移數(shù)值較大（如表3）。

表3 網(wǎng)架水平位移統(tǒng)計(jì)表
Table 3 Horizontal displacement statistics of grid （mm）

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4.4 柱頂水平位移

鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的整體剛度很大,對(duì)于下部混凝土結(jié)構(gòu)尤其是結(jié)構(gòu)外側(cè)單排柱子,網(wǎng)架與下部混凝土的相互作用,對(duì)下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的影響,。在地震工況作用下,結(jié)構(gòu)柱頂?shù)奈灰拼笮【绕渌r的數(shù)值大,在設(shè)計(jì)中起控制作用,。

4.5 支座反力

通過(guò)對(duì)各工況進(jìn)行分析,鋼屋蓋在水平和豎向單個(gè)方向的包絡(luò)工況最大反力（每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)所在位置為柱頂支座位置）,其中最大的支座豎向反力709.4 kN,最大水平推力310.1 kN。

選用支座時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮支座的豎向和水平承載力,喀什地區(qū)位于高烈度區(qū)域,所以該支座必須具有一定豎向的抗拔力,。彈性球形支座需要在水平方向提供足夠大的約束力,來(lái)約束網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于溫度升降產(chǎn)生的水平力且能與網(wǎng)架的水平位移變形協(xié)調(diào),。根據(jù)計(jì)算所得各個(gè)支座位置的荷載參數(shù),該工程所采用的彈性球形鋼支座的參數(shù)如下：支座水平剛度5 kNmm,豎向承載力1000 kN,抗拔力100 kN,X、Y向水平位移±50 mm, X,、Y向限位破壞荷載分別為350 kN,、250 kN,支座尺寸為680 mm×680 mm×310 mm。

根據(jù)各工況下的最大反力選取彈性球型鋼支座的型號(hào),該支座既能抵抗一定的水平剪切,又可以釋放地震能量,減少地震對(duì)建筑物的破壞［7］,。這種形式的支座可以有效模擬網(wǎng)架支座真實(shí)受力情況,減小支座對(duì)鋼筋混凝土柱的水平推力,減少溫度變形對(duì)網(wǎng)架的不利影響,游泳館共設(shè)置38個(gè)彈性球型鋼支座,。球形支座坐落在型鋼混凝土柱上,與豎向構(gòu)件共同提供環(huán)向和徑向約束,抵抗水平推力,承擔(dān)豎向荷載,在靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)合理,傳力途徑明確,支座的設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理［8］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了喀什游泳館的鋼網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,、位移,、支座力等問(wèn)題進(jìn)行了分析。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須根據(jù)實(shí)際情況考慮相應(yīng)的溫差及高烈度的相關(guān)影響,采取合理的支座形式模擬實(shí)際地震中鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形以及荷載的有效傳遞,并采取可靠的措施進(jìn)行處理,。

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