某体育场看台大悬挑屋盖结构设计与分析

许 建 鑫

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510006)

1 工程概况

香港科技大学(广州校区)位于广州南沙新区，规划建筑面积达63.4万m2，包含了中央科研设施区、生活服务街区、运动村、能源中心、宿舍区、设备区等六大功能区，建成后可以容纳4 000名学生。体育场为学校运动村中的一栋单体建筑，地上建筑面积1 610 m2，可容纳800人同时进行体育活动，人们可以从体育场观众席上欣赏到外部的水景。体育场看台为地上两层钢筋混凝土结构，上空设有弧形悬挑钢结构屋盖，屋盖最大高度为10.90 m，采用梁系悬挑结构体系。

体育场建筑方案平面设计图见图1。

根据相关规范要求和地质勘察资料，体育场抗震设防烈度为7度(0.1g)，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类[1]；本地区50年一遇基本风压取0.65 kN/m2，地面粗糙度为B类，钢结构屋盖部分体型系数按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范表8.3.1中第29项(a)取值[2]。由于看台钢结构屋盖的平面尺寸很大，应考虑温度变化在结构中引起的内力和变形，参考本地区历年气象资料，钢结构安装时的初始温度取25 ℃，最大正温差取30 ℃，最大负温差取-25 ℃。

本文在对看台结构整体建模分析设计的基础上，采用3D3S结构分析设计软件对看台上空的弧形悬挑钢结构屋盖进行专项分析设计，计算得到钢结构屋盖的动力特性，验算结构极限承载力、正常使用极限状态及稳定性，并根据计算结果对钢结构屋盖进行优化设计，从而确保钢结构屋盖设计的安全性和合理性。

2 结构体系

2.1 看台结构

主看台结构大致呈矩形分布，长×宽=75.1 m×8.5 m，初始设计结构高度为3.15 m。随着设计方案深化，看台结构高度升高为6.15 m，看台上空的大悬挑钢结构屋盖也由原来V形钢管柱支撑改为由看台上钢筋混凝土柱支撑，有效提高屋盖抗侧刚度。综合考虑建筑使用功能、结构荷载以及同类结构做法，看台主体结构采用钢筋混凝土框架结构，并在承台上设置厚度180 mm的底板平衡屋盖传给看台的水平力。

体育场看台结构整体模型图见图2。

2.2 大悬挑屋盖结构

为了更加贴合屋盖建筑造型特点以及保证混凝土看台上观众的观赏效果，钢结构屋盖确定采用弧形梁系悬挑结构体系。如图3所示，弧形钢箱梁沿看台横向对称布置，梁的一端支撑在看台后面两排混凝土圆柱上，另一端向前最大悬挑14.0 m。同时在弧形钢箱梁之间设置H型钢梁将其连接成一个整体，加强大悬挑屋盖结构整体性。

3 屋盖结构动力特性

采用3D3S软件对大悬挑钢结构屋盖进行单独建模分析，结构模态阻尼取0.02，计算得到前6阶振型周期如表1所示。从计算得到结果可知，屋盖前6阶振型均以扭转为主，具体表现为屋盖悬挑端上下振动，符合结构刚度特性。

表1 大悬挑屋盖前6阶周期结果

4 结构极限承载力及变形验算

经过多次建模试算，并结合屋盖结构受力特点，发现对结构影响较大的荷载为风荷载和温度荷载，并且屋盖悬挑部分构件应力明显小于屋盖与混凝土柱相连部分。因此，为了保证屋盖边缘建筑造型设计效果，节约钢材，屋盖悬挑部分主框架梁梁高由1.05 m向外逐渐递减到0.35 m，最终钢构件应力计算结果如图4所示。从中可见，当钢结构屋盖在1.30恒载+1.50×0.70活载+1.50×0.60风载+1.50温度荷载作用下，钢构件应力最大，但依然控制在0.85f以下(f为钢材设计强度，根据规范取315 N/mm2)。

根据GB 50017—2017钢结构设计标准附录B规定，悬挑屋盖在恒载和活载标准组合作用下，位移不应超过(14/125) m，即是112 mm[3]。经计算，屋盖在该荷载组合作用下最大负位移为-102.81 mm，符合正常使用要求，为了保证建筑观赏效果，可在钢结构深化设计阶段对主框架梁作预起拱处理，起拱大小为恒载作用下Z向位移，具体计算结果见图5。

5 结构整体稳定性验算

为了保证钢结构屋盖整体稳定性，分析屈曲对结构尤其构件的影响，现对钢结构屋盖进行线性屈曲分析，考虑初始荷载组合为1.0恒载+1.0活载，计算得到钢结构屋盖的第一阶屈曲因子为54.31，满足规范要求[3,4]。钢结构屋盖第一阶屈曲模态如图6所示。

6 拟补充专项分析

结合本工程结构特点和实际条件，参考国内外同类型结构，后续设计阶段拟补充如下专项分析验算。

6.1 风洞试验及风荷载补充验算

该钢结构屋盖为大悬挑大跨结构，为风荷载敏感体系，并且该项目所在位置为台风频发地区，因此后续设计可以考虑补充风洞试验，进一步确定该结构风致响应。在此基础上，在钢结构屋盖模型上施加风洞试验得到的等效静力风荷载进行分析计算，对钢构件设计作进一步校核，以保证结构设计安全性。

6.2 三向地震作用时程分析

该类大悬挑大跨结构除了要考虑双向地震作用外，竖向地震作用同样不可忽视，因此拟补充三向地震作用弹性时程分析。根据《抗规》要求，可选择两条天然波和一条人工波进行弹性时程分析，计算结果取包络值。选择地震波时，除了地震波频谱特性、有效峰值以及持续时间要满足规范要求外，时程分析得到的底部剪力与振型分解反应谱法结果相比，单条地震波底部剪力相差不大于35%，多条波平均值相差不大于20%。进行地震时程分析工况输入时，每条地震波分三个方向进行输入，输入的加速度峰值比例根据规范取1∶0.85∶0.65。

7 结语

1)采用3D3S结构分析软件对钢结构屋盖进行建模计算，验证了屋盖结构动力特性。分析结果显示，屋盖前6阶振型均表现为屋盖悬挑端的上下振动，符合结构刚度特性。

2)分析大悬挑钢结构屋盖承载力极限状态和正常使用极限状态，计算得到的构件应力和结构变形均满足相关规范要求。

3)对钢结构屋盖进行了线性屈曲分析，验证了结构整体稳定性，结果表明屋盖结构体系整体稳定性良好。

4)结合结构特性和工程实际条件，提出后续设计阶段拟补充风荷载作用专项分析和三向地震作用时程分析，进一步保证结构设计安全性和合理性。