淮安某學校風雨操場體育館結構設計

劉玉

（江蘇省建筑設計研究院股份有限公司，南京210019）

1 工程概況

本項目位于淮安市淮安區淮安生物工程高等職業學校校園西側，教學實訓樓西側，東接城市道路。 風雨操場實際功能為體育館，屬于高職類學校體育用房，由主館和訓練館組成，總建筑面積11 529.95 m2，地上2 層，層高5.0 m。 1 層主要功能為籃球、 排球和羽毛球等項目的教學和訓練場地，2 層為主館看臺、活動用房和主館室外入口， 總建筑高度22.5 m， 室內外高差0.2 m，總座位數為2 850 座。主館平面尺寸為74.2 m×74.2 m，主館北側與西側裙房為訓練館，訓練館兩層通高，層高10.2 m。 主館和分訓練館不設縫，無地下室。 建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖

2 結構設計

2.1 結構體系

主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構， 屋蓋采用平面管桁架輕鋼屋面，桁架高3.9 m；訓練館屋蓋跨度27 m，采用現澆鋼筋混凝土樓蓋，單向布置混凝土次梁，梁間距3.0 m，梁高1.5 m，跨高比1/18。 框架抗震等級為三級，大跨框架抗震等級為二級。

主館和訓練館作為一個整體，不設置抗震縫，主要柱網尺寸9.0 m×9.0 m，X 向總長約為120.3 m，Y 向總長約為84.5 m，兩方向均超長。

2.2 荷載取值

2.2.1 恒荷載及活荷載

主館鋼桁架輕鋼屋面恒荷載取1.0 kN/m2（包含屋面板、檁條自重和懸掛荷載）；主館屋面為不上人屋面，活荷載取0.5 kN/m2，馬道活載取1.5 kN/m2；裙房屋面為上人屋面，活荷載取2.0 kN/m2。

2.2.2 風荷載及雪荷載

基本風壓按50 a 一遇取0.40 kN/m2， 地面粗糙度類別為B 類，結構體型系數、風壓高度變化系數、風振系數等均按照GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[1]取值?；狙喊?0 a一遇取0.4 kN/m2。

2.2.3 地震作用

本工程為高職類學校，根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[2]，抗震設防烈度為6 度（0.05g），抗震設防類別為重點設防（乙類）。 根據《關于執行幼兒園、學校醫院等人員密集場所建設工程結構設計標準的通知》（淮住建辦[2018]68 號文），本工程提高一檔進行抗震設防，按7 度（0.10g）計算；結構設計使用年限50 年，結構安全等級一級，結構重要性系數取1.1；建筑場地類別為Ⅲ類，場地特征周期0.65 s。

2.2.4 溫度作用

根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，淮安月平均最低氣溫為-7 ℃，最高為35 ℃，為簡化計算，結構平均溫度按月平均氣溫確定計算溫差， 主場館屋蓋鋼桁架安裝合龍時的溫度按10～18 ℃考慮，計算溫差按照取值為±25 ℃。

2.3 地基基礎

根據據勘察報告， 采用預應力混凝土管樁基礎， 樁徑400 mm，以3-1 層粉細砂為持力層，樁端全截面進入持力層深度不少于2.0 m。

2.4 主體結構

本工程主體結構采用鋼筋混凝土框架結構， 基礎頂面作為上部結構的嵌固端。鑒于本項目跨度較大，采用PKPM 軟件進行計算，3D3S 軟件輔助驗算， 并對兩種不同力學模型的軟件計算結果進行比較分析。 兩種軟件的計算結果對比見表1。

表1 結構總體指標計算結果對比

通過對比分析， 兩個不同計算內核的結構分析軟件（PKPM 和3D3S）計算結果相近，說明兩種模型計算結果是合理且有效的，計算模型符合結構實際工作狀態，可作為結構設計的依據。 計算結果顯示，結構前10 階周期都呈整體振動變形，無局部振動現象，周期、位移、側向剛度、樓層抗剪承載力、剪重比等重要指標均能滿足國家規范要求。

2.5 大跨鋼桁架屋蓋

本工程主館屋蓋平面尺寸為74.2 m×74.2 m，柱距為69.0 m×69.0 m。 大跨輕鋼屋蓋采用平面鋼管桁架結構， 桁架間距為9.0 m， 沿桁架垂直方向布置支撐桁架和剛系桿以保證拱形桁架的側向穩定，周圈設置水平支撐，鋼桁架的支座交接在框架柱頂，周圈框架柱頂設置收邊桁架。 桁架上弦桿根據建筑屋面造型布置成折線，跨中矢高為3.9 m，高跨比為1/17.7。鋼桁架桿件均采用Q345B 無縫鋼管，上下弦桿φ450 mm×16 mm，腹桿和水平支撐為φ203 mm×10 mm，支座腹桿為φ219 mm×14 mm，剛系桿為φ245 mm×16 mm。 典型單榀桁架如圖2 所示。

圖2 典型單榀桁架大樣圖（標高單位：m；尺寸單位：mm）

鋼桁架屋蓋結構采用3D3S 軟件進行整體計算， 并采用PK 軟件對單榀桁架進行復核，計算結果與3D3S 軟件相近。

對桁架各上下弦桿件選用空間梁單元， 腹桿及屋面支撐系桿指定為桿單元，桿件端部按鉸接模擬計算，整體屋蓋結構的強度、穩定應力比均在0.85 以下。結構在恒載和活載作用下產生的最大撓度值分別為175.6 mm 和59.3 mm，撓度限值滿足規范[3]不大于L/250（L 為桁架跨度）的要求，結構具有足夠的剛度。

綜上，本工程大跨輕鋼屋蓋強度、穩定及變形均滿足相關規范要求。

2.6 節點及支座設計

本工程屋蓋鋼管桁架連接節點采用相貫焊連接，相貫節點各桿件的軸心線盡可能交于一點，避免偏心。 相貫線焊縫的具體要求為：（1）主管與支管的連接焊縫為相貫線焊縫，應沿全周連續焊接并平滑過渡， 全熔透焊縫的質量等級為一級，角焊縫和部分熔透焊縫的質量等級為三級。（2）當多根支管同時交于一節點，且支管同時相貫時，支管按直徑大和管壁厚優先。（3）圓鋼管相貫時，支管端部的相貫線焊縫位置沿支管周邊分為A（趾部）、B（側面）和C（踵部）3 個區域。 每榀桁架支座與主體結構框架柱連接采用鉸支座，節點構造如圖3 所示。

圖3 桁架支座節點構造（單位：mm）

3 超長結構設計措施

本工程主館和訓練館作為一個整體，X 向總長約為120.3 m，Y 向總長約為84.5 m，兩方向均超長。 針對超長采取以下措施：

1）設置多道后澆帶，間距不大于40 m，從而減小混凝土澆筑過程中的水化熱。 后澆帶封閉材料采用比對應樓面混凝土強度等級高一級的微膨脹混凝土， 并要求在主體封頂60 d 后澆筑。

2）根據前述溫度荷載，考慮最大升溫、降溫±25 ℃計算溫度應力。經計算，2 層溫度應力最大，長方向局部最大溫度應力為2.6 N/mm2，短方向最大溫度應力為2.2 N/mm2，均大于C30混凝土的抗拉強度標準值2.01 N/mm2； 其余各層樓板應力均小于2.01 N/mm2。 在2 層樓板板中配置抗溫度應力鋼筋，按照0.25%的配筋率配置雙層雙向拉通鋼筋，同時，2 層框架梁、連續次梁及裙房大跨梁設置抗扭鋼筋。

3）裙房屋面板施工時加強保溫，減小環境溫度變化對屋面的不利影響，減小溫度應力。

4 結語

風雨操場體育館上部鋼結構屋蓋與下部混凝土結構連接，采用兩種不同力學模型對結構進行整體計算，并進行包絡設計，結構各項參數均滿足規范相關要求。 主館屋蓋采用平面鋼管桁架結構形式，通過分析，該屋蓋強度、穩定及變形均滿足規范要求。 鋼管桁架連接節點采用相貫焊連接，桁架支座與主體結構框架柱連接采用鉸支座。 主館和訓練館作為一個整體超長結構，應對樓板進行溫度應力分析，并采取相應措施對結構進行加強，減小溫度應力。