池州体育馆结构设计分析.docx
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池州体育馆结构设计分析
池州体育馆结构设计分析
1．工程概况
池州市体育馆位于安徽省池州城区南外环路南侧、长江路西侧。
整体造型为九朵花瓣的“水中莲花”（寓意江南水乡及莲花佛国），主体三层，周围映衬水景景观，占地总面积约11.6万平方米，建筑面积3万余平方米，座位总数约5000座，总投资1.9亿元人民币。
该体育馆具备承担国内国际单项比赛、全民健身、大型文艺演出、商贸会展等综合文体商贸活动功能。
建筑最大高度为28.600m平面为直
径126m的圆形建筑。
看台部分采用钢筋混凝土框架结构，以建筑物的中心为圆心按每10度为一个柱开间总共划分为36个开间，共三层高。
中间场馆部分为标高5.400的一层混凝土框架结构，最大柱网为7.3x10.26m，屋盖为跨度为83.1m双层网壳结构；钢结构的莲花花瓣造型把整个体育馆包裹起来。
整个建筑犹如盛开的莲花座落于水中央。
2.结构设计的主要问题
本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级。
安徽省池州市，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001）和《建筑抗震设计规范》，该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，"类场地，设计地震分组为第一组。
根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB5022—2004）第6.0.3条，观众座位W6000座，为丙类建筑。
框架的抗震等级为三级。
2.1看台超长
由于看台部分为外直径为126m,内径为60.36m的环形结构，为解决温度应力对结构的不利影响，将看台混凝土框架部分以伸缩缝兼抗震缝划分为三个相对独立的结构部分；体育馆中间场馆部分为单层混凝土框架结构，为使结构单元相对规则以及减小结构温度应力及地震的不利影响，因此沿看台的内径边设置伸缩缝兼抗震缝，将体育馆中间场馆部分与看台部分分开。
使得各结构单元相对规整。
2.2上部钢网壳与下部主体结构的连接
对于大跨度的结构来说，上部钢网壳与下部主体结构的连接方式不同，对由温度产生的连接处的内力影响很大。
在设计中通过合理布置连接方式，尽可能减小温度产生的内力。
本工程网壳的平面为规则的圆形，如果均采用固定铰支座，必然在径向对下部结构产生较大的温度应力，且下部结构为三个独立的结构单元，如采用固定铰支座将会使下部各结构单元的不同震相位移通过上部钢网壳来传递，使得地震对钢网壳极为不利。
因此采用橡胶弹性支座，以释放由温度产生的大部分应力及地震产生的位移，减少由地震和温度产生的对上部网壳的附加应力。
经过两种支座布置方案的计算分析，采用橡胶弹性支座的方案既可以减小结构的温度应力，同时又可以保证结构的位移和振型符合规范的要求。
通过“放”的原则，合理布置连接方式，减小了温度产生的内力。
3．结构计算分析
结构计算分析分两个步骤：
1）上、下部结构独立分开计算；2）整体结构计算分析。
3.1屋面网壳结构的计算分析
屋面网壳结构首先采用MST2006进行计算分析（支座处的柱楼层以上部分参与计算），对网壳杆件截面进行确定。
计算包括两部分：
1、各支座全部固定铰支座；这种情况偏于安全，可以初选杆件截面；2、根据实际的支座刚度进行计算。
校核杆件截面是否满足要求。
模型中，单元采用杆单元，节点采用铰节点，钢材采用Q235B及Q345B钢。
屋面荷载标准值（含屋面板、檩条、保温层、吸音板等）上弦取0.55kN/m2，风管1.25kN/m2（风管布置处）；下弦马道和灯具取0.50kN/m2；屋面活载标准值上弦取0.50kN/m2；下弦取0.50kN/m2（马道处，本场馆不设吊顶），考虑活荷载的不利组合。
网壳跨度较大，受温度差的影响较大，结合施工安排进度情况，温度差取值士25C。
根据《建筑结构荷载规范》（2006年版），风荷载标准值基本风
压（考虑50年重现期）为0.35kN/m2;地面粗糙度B类。
根据风洞试验及现行规范查取体型系数，按0°，45°，90°，270°四个风向进行风荷载分布，风振系数取1.5。
橡胶支座的刚度可以通过公式
（1）计算得到：
K=GA/h
（1）
其中：
G为橡胶支座的剪切刚度0.98~1.47N/mm2
A=a>b,a,b为橡胶支座的长度和宽度
h为橡胶支座的高度
最大截面应力比控制不超过0.85,杆件截面从①75.5x3.75,①
89x4.00,①114x4.00,①140x4.50,①159x8.00,①180x12.0，①219x14.0中优化选择。
节点形式以螺栓球节点为主，局部采用焊接空心球节点。
在竖向荷载标准值作用下，结构的竖向最大挠度为112mm最大水平位移为12.4mm,不会滑出柱子范围。
3.2下部主体结构的计算分析
下部结构采用SATWE2006进行计算,确定结构布置,初选梁、柱截面。
采用刚性梁模拟网壳,并与下部梁、柱铰接。
计算结果包括结构最大层间位移角、弹性扭转位移比和周期均能满足规范要求。
3.3整体结构分析
上下部结构分开计算并不能准确的模拟结构的受力性能,因此需将对整体模型进行计算分析,以便准确的计算结构的受力,分析其抗震性能。
为了减小上部结构温度应力的影响,上、下部结构的连接形式均为橡胶弹性支座。
橡胶支座可以认为竖向刚度同混凝土,水平方向允许有侧向的位移。
支座高度设计均为500mm,模型中采用500mm高的橡胶柱模拟橡胶支座。
侧向刚度根据
（2）式来进行等代：
G2=G1A1h2/A2h1
（2）
其中：
G2、A2、h2为橡胶柱的剪切刚度、截面面积、高度；
G1、A1、h1为橡胶支座的剪切刚度、截面面积、高度；
G1取值为0.98~1.47N/mm2。
由于橡胶支座的剪切刚度的范围较大,所以橡胶柱等代的剪切刚度也在一个较大的范围之内,为了使最不利情况包络进去,必须采用两个剪切刚度界限值计算两次，找到最不利的受力情况。
331静力分析
静力分析主要考查上下部结构的内力和挠度。
下表分别给出了屋盖单独计算及整体计算的振形模态及各工况下的位移值。
整体计算结果：
表1:
自振特性基本参数（Midas结果）
模态号
周期（s）
TRAN-X
TRAN-Y
扭振成分
1
1.040616
69.57「
30.4
0.03
2
1.026602
4.38
95.55
0.07
3
0.990282
39.54「
60.4
0.07
4
0.984144
28.23
71.72
0.05
5
0.978117
1.59「
98.36
0.05
6
0.779954
61.97
37.83
0.19
7
0.777153
66.3「
33.42
0.29
8
0.756708
70.4
29.56
0.04
9
0.749095
59.18「
40.78
0.04
10
0.732136
45.02
54.34
0.64
11
0.724948
30.23「
68.87
0.9
12
0.716938
46.71
53.06
0.23
13
0.707096
48「
51.3
0.7
14
0.654454
49.47
50.38
0.15
15
0.647769
43.051
56.71
0.24
16
0.633731
44.17
55.58
0.24
17
0.612018
49.81:
24.26
25.93
18
0.600801
56.43
37.4
6.17
19
0.598356
57.01:
37.48
5.51
20
0.594167
0.01
99.93
0.06
21
0.589812
62.81:
36.57
0.62
22
0.589113
99.64
0.35
0.01
23
0.572358
49.68
32.82
17.49
24
0.55422
66.06
33.82
0.12
表2：
砼结构水平位移值（Midas结果）
荷载类型
最大顶点
位移（mm）
最大层间位移
角厶u/h
X向地震
5.2
1/2274
Y向地震
5.3
1/3508
X向风载
2.9
1/5517
Y向风载
2.8
1/3891
表3:
钢屋盖位移值（Midas结果）
荷载类型
X向位移
（mm）
Y向位移
（mm）
Z向位移
（mm）
恒载+自重
8.6
14.2
-138.1
活载
6.1
6.5
-58.0
用
X向地震作
4.9
3.8
-0.3
用
Y向地震作
1.8
5.1
-0.5
屋盖单独计算结果:
表
（1）结构自振周期:
模
频率
周期
差
容许误
态号
（cycle/
sec）
（sec）
1.85540
0.538
4.18E-1
1
6
966
6
2.37451
0.421
1.40E-1
2
1
139
5
3.21281
0.311
2.79E-1
3
1
254
6
3.21328
0.311
4.18E-1
4
8
208
6
3.82311
0.261
5.91E-1
5
3
567
6
0.247
1.77E-1
6
4.03506
828
5
4.03551
0.247
3.01E-1
7
2
8
5
5.38273
0.185
0.00E+0
8
8
779
0
9
5.52655
0.180
1.13E-1
3
945
5
5.53444
0.180
2.07E-1
10
3
687
5
表
（2）.结构变形:
荷载类型
X向位移
（mm）
Y向位移
（mm）
Z向位移
（mm）
恒载+自重
13.8
9.8
-112.2
活载
6.3
6.2
-75.7
用
X向地震作
0.6
0.3
0.9
用
Z向地震作
0.6
0.6
2.2
温度作用
12.4
12.4
2.4
（升温）
上表数据表明，两种计算结果大小分布规律是一致的，但整体计算的结果要比单独计算上部的结果要大10%左右，因此采用整体计算是必要的。
整体计算中结构的竖向最大挠度为138mmvl/250=165mm,较单独计算上部的挠度要大，但基本相同，均能满足规范要求。
最大水平位移为13.8mm,和单独计算的水平位移结果相差不大。
3.3.2抗震性能分析
首先对整体结构进行动力特性分析。
计算了结构前24阶振型，
根据计算结果，该结构的振型具有以下特点。
第1阶振型x方向的整体平动，第2阶为y方向的整体平动，第3阶为450方向整体平动。
而采用SATWE计算结果，第一阶振型（0.8168Hz）为扭转成分较多的整体平动，第二阶振型（0.7465Hz）为y方向的整体平动，第三阶振型（0.7378Hz）x方向的整体平动。
两个程序的计算结果相差较大，这主要是SATWE建立网壳模型过于简化造成的，采用通用程序较核是非常有必要性的。
由于建筑物处于设防烈度为6度的地区，根据《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003）（J258-2003）第4.4.1条网壳结构可不进行水平和竖向抗震计算。
但该体育馆屋盖跨度较大，为了更准确的计算结构的抗震性能，我们仍采用规范反应谱法对双向水平地震和竖向地震作用都进行了验算。
计算结果表明，三向地震作用下，地震响应应力比均在在0.2以下，对结构的截面设计不起控制作用；
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