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某体育馆的上部结构设计

2017-12-30 15:19阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1108230925

【摘要】淮阴中学体育馆为混凝土框架柱钢网架结构屋面，平面布置比较复杂，柱网不规则。传统的此类项目设计都是用钢梁来代替网架，在PKPM中用Satwe计算，而本工程采用PKPM系列的SpasCAD进行设计，在PM中输入梁板柱等平面构件，同时也输入室外楼梯等斜向构件。转到SpasCAD中输入钢网架，进行整体分析，观察各种振型下结构响应，从而进行必要的构造。
【关键词】钢网架 SpasCAD 整体分析
1、工程概况
淮阴中学体育馆位于淮阴市楚州区，为省属重点中学的体育场馆，工程面积5000平方米，地震设防烈度7°，场地类别II类，地震加速度0.10g。两层，一层为自行车停车场，二层为篮球场，一层层
高4.5米，二层层高11米，一层至二层处有一个室外楼梯，另外还有其它楼梯，柱网布置不规则，屋顶采用钢网架。其二层结构平面图如下图1所示：
某体育馆的上部结构设计
图1 二层结构平面图
2、模型建立：
从图1 可以看出，左侧有两个楼梯从一层走向二层，右下部位有一个楼梯从一层走向二层，而且还有圆弧形梁，因此柱的布置不规则。为此我们在PM中将这些楼梯按照实际情况输入，通过改变梁两端的标高、节点高、设置层间梁等方法，在PM中建立结构模型，二层的模型空间如图2所示：
某体育馆的上部结构设计
图2 二层空间模型图
从图2中可以看出，由于采用上述的建模方法，PM中的模型与实际结构完全一致，由于PKPM中不能建立网架构件，传统的此类项目的设计均是采用用钢梁去模拟网架，这种方法的缺点是不能考虑网架与混凝土框架结构的整体受力，特别是由于网架的平面内刚度无限大，而用钢梁代替网架的话，这种屋面平面内刚度几乎等于零，因此这种计算方法与实际存在的结构受力情况完全不一致，柱在这两种模型中的响应完全不同。本工程设计时，考虑到SpasCAD模块可以建立网架，因此选择该模块进行网架+混凝土框架的整体分析和计算，将PM输入的混凝土框架模型导入到SpasCAD中，在SpasCAD模块中选择快速建模菜单，按照区隔输入网架参数，从而自动形成网架模型，利用选择集，将网架模型按照对齐的原则平移到框架柱顶，由于本工程柱网不规则，所以由数据文件自动形成的网架需要做局部修改，将柱顶附近同时又不在柱上的节点移动到柱顶节点，这样便形成了整体结构模型，如图3所示：
某体育馆的上部结构设计
图3 整体空间模型
3、计算分析
整体空间模型建立后，我们设置相应的参数，进行整体分析，本工程由于是钢网架屋面，柱高有11米多，而且仅是周边设柱，因此柱的安全受力就成为结构设计的关键，我们将这些柱均做800x800。由于有混凝土室外大楼梯，这些梯板是斜板，因此我们在计算时，将这些斜板均设置为弹性楼板，以考虑板平面内刚度的影响，同时楼梯斜梁和斜板相当于支撑，对整体结构的刚度和变形有着重要的影响，因此设置弹性板后更加真实的评价这些斜向构件对整体结构的影响。
经过结构计算后，观察构件的配筋，通过多次调整，选择安全可靠的梁柱截面，查看最后的结构在各种振型下的振动图，分别如下图4和5以及6所示：
某体育馆的上部结构设计
图4 第一振型下的振动图
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图5 第二振型下的振动图
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图6 第三振型下的振动图
其三个振型的结果数据如下所示：
周期 1 及振型方向角: 0.748 103.8 Y
周期 2 及振型方向角: 0.689 13.8 X
周期 3 及振型方向角: 0.509 90.0 TORSION
从三个振动图可以看出，第一和第二振动均为平动，第三振型为转动，且根据三个振型的周期看出，第一和第二振型均是Y和X方向的纯平动，而第三振型是纯转动，说明结构布置是合理的，同时我们发现这三个振动图有一个特点就是网架的变形很小，几乎可以忽略不计，说明网架具有很大的平面内刚度，可以协调各个柱的变形，这与以前的用钢梁来代替网架这种简化计算是完全不同的，真实的反映了柱的地震响应，这样可以对柱进行针对性的设计和采取加强措施。同时从振型图中也可以看出，楼梯斜梁也跟着整体结构一起变形，说明楼梯作为支撑构件参与结构的整体振动，因此在设计时，我们还是要把楼梯构件按照实际在模型中建进去，这样才能真实的反映结构的实际受力状态。
我们对室外大楼梯的梯板按照弹性板进行分析计算，在X向和Y向地震作用下，弹性板的平面内应力如下图7和8所示：
从图7和8可以看出，楼梯斜板均存在应力集中，且应力的分布很不均匀，有的地方是拉应力，有的地方是压应力，非常没有规律，因此本楼梯板配筋时必须按照实际的应力，由软件自动配筋而不是在PM里面按照平面结构给出的板的配筋。
某体育馆的上部结构设计
图7 X向地震下楼梯梯板的平面应力图
某体育馆的上部结构设计
图8 Y向地震下楼梯梯板的平面应力图
4、结构设计
根据结构的整体模型在地震下的振动响应，我们发现与网架相连的混凝土框架柱变形较大，仿佛是一根根弹性杆在摆动。为了给这些框架柱提供强大的变形耗能能力，我们在设计时，将柱的配筋按照实际计算结果做进一步的放大，同时对柱的箍筋进行加强，箍筋全长加密，配ø10@100。室外大楼梯的混凝土斜梁，我们人为的做了加强，纵向钢筋比计算值放大，箍筋全长加密，以抵抗其变形的能力，其混凝土斜板，板厚做150mm，进行双层双向配筋，配ø10@100，以防止在大震情况下，梯板作为重要的逃生通道，先破坏从而保证结构的整体安全。
由于本工程的室外楼梯大梁，相当于一个大的斜向支撑，其轴向力较大，因此其基础设计时，必须考虑其轴向力的影响，本工程地质较差，为桩基础，该大梁基础设计时，我们采用斜向桩，分别按照抗压和抗拔设计，取不利的情况设计，最后是按照抗拔桩进行设计。
5、结论与建议
（1）体育场馆一般为混凝土柱+钢网架结构形式，我们计算时要将混凝土框架和钢网架作为一个整体建到模型中进行整体计算和分析，这样可以真实的反映结构的实际受力情况和地震反应情况。
（2）室外大楼梯的斜梁要按照实际输入，斜板要进行应力分析同时按照应力配筋，必要时要做进一步的加强，板加厚，配筋双层双向拉通。斜向大梁的基础要考虑其斜向轴力的影响，必要时设置抗拔斜桩。
（3）支撑网架的混凝土大柱要进行详细的分析，要观察其在各种地震和其它工况下的响应情况，要进行加大和加强配筋，箍筋要全长加密，以提供其强大的变形耗能能力。

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