濟(jì)南奧林匹克體育中心網(wǎng)球館下部采用混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu), 上部鋼結(jié)構(gòu)按建筑功能的不同采用不同的結(jié)構(gòu)形式, 包括管桁架結(jié)構(gòu)、工字鋼梁結(jié)構(gòu)、中心賽場懸挑空間折板罩棚結(jié)構(gòu)、空間折板墻體結(jié)構(gòu). 對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動力、屈曲分析和節(jié)點(diǎn)有限元分析, 采取措施增強(qiáng)折板結(jié)構(gòu)的平面外剛度, 并通過總裝分析研究下部混凝土結(jié)構(gòu)對上部鋼結(jié)構(gòu)的影響. 經(jīng)分析, 受下部混凝土結(jié)構(gòu)界面彈性支承的影響,上部鋼結(jié)構(gòu)在溫度、地震作用下受力與單體時相比均有差別, 且在連接界面處的桿件受力不均。

　　濟(jì)南奧林匹克體育中心位于濟(jì)南市區(qū)東部，2009年第十一屆全國運(yùn)動會將在這里舉行. 建筑設(shè)計分為東西兩區(qū), 西區(qū)布置體育場及訓(xùn)練場, 東區(qū)布置體育館、游泳館以及網(wǎng)球中心等, 見圖1. 其中網(wǎng)球中心賽場形近似一"逗號”， 南北長約171m, 東西寬約223m, 占地面積20600m2 , 建筑面積31400m 2,地下一層, 地上四層. 看臺規(guī)模約4000 座, 頂部標(biāo)高14m, 看臺及功能用房采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。上部鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的建筑分區(qū)以及結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性分別采用不同的結(jié)構(gòu)形式, 其中室內(nèi)網(wǎng)球館采用管桁架結(jié)構(gòu), 中庭屋蓋采用工字鋼梁結(jié)構(gòu), 中心賽場罩棚采用懸挑空間折板結(jié)構(gòu), 墻面采用空間折板結(jié)構(gòu), 建筑上形成柳葉造型, 和其他兩館一場相呼應(yīng). 墻體屋蓋鋼結(jié)構(gòu)由南向北減低, 最高點(diǎn)標(biāo)高31.3m, 最低點(diǎn)21.3m , 最大跨度38.5m, 中心賽場鋼罩棚懸挑14m。

　　1.結(jié)構(gòu)形式

　　鋼結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)形式的布置見圖2 和圖3, 其中中心賽場罩棚折板高度端部1.4m, 根部2m, 向場內(nèi)懸挑14m, 根部支承桁架谷深2m , 與懸臂結(jié)構(gòu)自然銜接, 見圖4. 外墻面折板結(jié)構(gòu)谷深3m, 與幕墻鋼柱結(jié)合形成菱形組合柱, 改善了折板結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定性, 見圖5. 室內(nèi)網(wǎng)球館管桁架結(jié)構(gòu)以中庭的混凝土柱作為支座, 桁架跨度38.5m,高2.5m, 桁架間最大間距約9.3m, 桁架間上下弦均布置水平系桿,系桿間距7.5m , 端部加設(shè)水平交叉支撐以增強(qiáng)屋蓋整體性. 中庭屋面跨度18.5m ~ 28m, 采用工字鋼梁, 跨度較大處采用變截面工字鋼梁。

　　鋼結(jié)構(gòu)支座分別支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)框架柱、框架梁、基礎(chǔ)或型鋼混凝土柱。

　　2.鋼結(jié)構(gòu)單體分析

　　整體分析及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用SAP2000 有限元分析軟件, 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計采用ET ABS 有限元分析軟件. 設(shè)計主要考慮如下荷載。

　　屋面靜荷載金屬屋面0.6kN/ m2 ( 考慮保溫以及防水做法) , 局部吊頂荷載0.5 kN/ m2, 懸掛荷載根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的設(shè)備重量、平面布置及馬道的平面布置按實際情況輸入. 墻面靜荷載金屬墻面0.3kN/ m 2. 結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動計算確定。

　　屋面活荷載0.5 kN/ m2.

　　基本雪壓0.35 kN/m2, 對于罩棚折板屋面, 考慮積雪分布系數(shù)u, 如圖6。平屋面雪荷載小于活荷載, 按活荷載取用。

　　風(fēng)荷載按規(guī)范及風(fēng)洞試驗報告雙控取值, 風(fēng)洞試驗報告由同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實驗室提供。

　　建筑抗震設(shè)防分類為丙類, 抗震設(shè)防烈度6度,場地土類別為I類. 根據(jù)擬建場地安評報告, 地震作用按以下取值: 50年超越概率63%時, 地面水平地震峰值加速度為17gal, 地震影響系數(shù)最大值為0.041, 場地特征周期0.37s; 50年超越概率3%時,地面水平地震峰值加速度為 86g al, 地震影響系數(shù)最大值為0.219, 場地特征周期0.61s。

　　設(shè)計合攏溫度取為15℃ , 墻體升溫+25℃ , 降溫- 25℃ , 其它部分升溫+ 20℃ , 降溫- 20℃. 溫度組合值系數(shù)取為0.6。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標(biāo)屋面跨中撓度≤ L/400(L為跨度) , 罩棚前端撓度≤L/150(L為罩棚懸挑長度) , 罩棚豎向自振頻率≥1.0H z, 桿件最大組合設(shè)計應(yīng)力≤0.9f (f為鋼材設(shè)計強(qiáng)度) , 桿件長細(xì)比≤150, 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定線彈性屈曲荷載系數(shù)K≥10。

　　鋼結(jié)構(gòu)主要桿件截面如表1所示

　　2.1靜力分析結(jié)果

　　結(jié)構(gòu)靜力作用下結(jié)構(gòu)位移及桿件應(yīng)力水平如表2及圖7。

　　2.2 模態(tài)分析結(jié)果

　　結(jié)構(gòu)第一階振型為尾部山墻的平動，第2 階振型為室內(nèi)網(wǎng)球館鋼結(jié)構(gòu)折板墻面平面外方向的振動, 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)(見圖 8) , TT / T1=0.507/0.551=0.92>0.90，總裝分析,TT/T1<0.9。

　　2.3 屈曲分析結(jié)果以及桿件計算長度系數(shù)的選取

　　屈曲分析有助于發(fā)現(xiàn)屈曲對結(jié)構(gòu)尤其是構(gòu)件的影響。采用特征值屈曲分析得到各屈曲模態(tài)的荷載系數(shù)以及對應(yīng)的屈曲形態(tài). 圖9顯示SAP2000 線性屈曲分析結(jié)果,考慮初始荷載組合為1.0 恒+1.0 活。

　　由線性屈曲分析結(jié)果可知, 桁架上弦管299x10最先發(fā)生受壓面外屈曲, 其臨界荷載Nr= K .N= 9.7x517=5015kN(式中N=517kN為1.0 恒+1.0 活初始荷載下桿件的軸向壓力) , 該桿件面外無支撐長度7.5m, 可得該構(gòu)件計算長度系數(shù):

　　因此, 設(shè)計時取屋面受壓弦桿的計算長度系數(shù)為1.0, 折板弦桿及柱的計算長度系數(shù)也按此法確定為1.0。

　　3.總裝分析

　　本工程上部鋼結(jié)構(gòu)通過連接界面支承于下部混凝土結(jié)構(gòu), 構(gòu)成結(jié)構(gòu)整體. 由于鋼、混凝土兩種材料本身材料特性以及上部鋼結(jié)構(gòu)、下部混凝土結(jié)構(gòu)布置的差異, 必然帶來整體結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下反應(yīng)與單獨(dú)鋼、混凝土結(jié)構(gòu)反應(yīng)發(fā)生差異, 總裝分析是必須的. 對本工程而言, 其必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

　　( 1) 溫度作用下, 上部鋼結(jié)構(gòu)、下部混凝土結(jié)構(gòu)以各自平面內(nèi)抗側(cè)力剛心為不動點(diǎn)收縮( 負(fù)溫) 或膨脹( 正溫) , 由于上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的溫度作用不動點(diǎn)的位置不同, 導(dǎo)致支承界面發(fā)生相對差異變形, 鋼結(jié)構(gòu)以及鋼、混凝土連接界面構(gòu)件內(nèi)將產(chǎn)生較大局部應(yīng)力, 為評估該局部應(yīng)力對整體結(jié)構(gòu)的影響, 總裝分析是必需的。

　　( 2) 單獨(dú)鋼結(jié)構(gòu)分析中, 其混凝土結(jié)構(gòu)支座按理想不動鉸或固定端處理, 實際結(jié)構(gòu)中, 由于連接界面的下部混凝土梁、柱是有限剛度的, 且混凝土材料存在收縮、徐變, 為反映混凝土結(jié)構(gòu)的彈性支承以及徐變、裂縫、長期剛度退化對上部鋼結(jié)構(gòu)的影響, 也必須進(jìn)行總裝分析。

　　( 3) 在地震作用方向上, 由于剛度、質(zhì)量以及地震波輸入位置的差異, 整體結(jié)構(gòu)與單體結(jié)構(gòu)對地震作用的響應(yīng)不同, 也必須進(jìn)行總裝分析。

　　計算中, 上部鋼結(jié)構(gòu)通過鋼管柱、混凝土柱墩與下部混凝土結(jié)構(gòu)相連, 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土梁柱均采用剛接連續(xù)節(jié)點(diǎn)。阻尼比取值為0.02 及0.03，0.02用于總裝分析中上部鋼結(jié)構(gòu), 0.03用于總裝分析中下部混凝土結(jié)構(gòu)。總裝分析的有限元模型見圖10。

　　3.1靜力分析結(jié)果

　　鋼結(jié)構(gòu)墻面弦桿通過混凝土柱墩與混凝土轉(zhuǎn)換梁或混凝土柱相連, 如圖11所示. 由于混凝土結(jié)構(gòu)本身在豎向荷載以及溫度變化下存在變形, 混凝土相連的鋼結(jié)構(gòu)柱底不再是固定理想約束, 變形協(xié)調(diào)作用使得鋼結(jié)構(gòu)的桿件內(nèi)力分布和單體模型有所不同。圖11中由左向右排布的鋼結(jié)構(gòu)桿件在恒+ 活豎向荷載作用下的桿件軸力分布見圖12。受混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件變形、剛度的影響, 總裝模型中鋼結(jié)構(gòu)桿件在豎向荷載作用下內(nèi)力分布明顯不均勻。另外總裝后鋼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也較單體結(jié)構(gòu)時有所放大, 吸收水平力較多的桿件, 如支撐、系桿等應(yīng)力水平有所提高. 故本工程在總裝分析后重新進(jìn)行截面設(shè)計, 調(diào)整桿件截面使之滿足要求. 鋼結(jié)構(gòu)桿件在總裝模型下應(yīng)力分布情況見圖13。

　　3.2 模態(tài)分析結(jié)果

　　由于下部混凝土的有限剛度及變形, 鋼結(jié)構(gòu)的第一和第二周期都較單體鋼結(jié)構(gòu)有所加長, 但是振動形態(tài)基本相同(圖14)。

　　4.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

　　本工程管桁架結(jié)構(gòu)以及折板結(jié)構(gòu)均采用相貫節(jié)點(diǎn),工字鋼梁兩端采用螺栓連接鉸接節(jié)點(diǎn). 相貫節(jié)點(diǎn)計算分析在有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行,采用solid45和solid92單元,所施加荷載為最不利設(shè)計荷載組合, 節(jié)點(diǎn)分析時對應(yīng)力不足和應(yīng)力水平較高的部位采取一定構(gòu)造措施加強(qiáng),如設(shè)加勁肋、增厚節(jié)點(diǎn)區(qū)主管壁厚等。典型節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果如圖15。

　　由節(jié)Von-Mises主應(yīng)力云圖可見,除個別點(diǎn)應(yīng)力集中,應(yīng)力水平略超過屈服強(qiáng)度外, 節(jié)點(diǎn)區(qū)域整體應(yīng)力水平均在 200M Pa 以下, 可以保證結(jié)構(gòu)安全。

　　5 鋼結(jié)構(gòu)施工

　　現(xiàn)場施工方案為桁架分片進(jìn)行地面整體拼裝,焊接主要在地面進(jìn)行, 有利于確保焊接質(zhì)量. 在拼裝前對所有桁架進(jìn)行電腦三維放樣, 按照放樣模型制作拼裝胎架, 拼裝過程中利用全站儀對桁架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定位, 確保桁架精度達(dá)到設(shè)計要求。

　　6.結(jié)論

　　( 1) 折板結(jié)構(gòu)的平面外剛度較弱, 為保證結(jié)構(gòu)的整體性作用, 結(jié)合室內(nèi)的結(jié)構(gòu)柱與墻面折板結(jié)構(gòu)組成菱形及三角形組合結(jié)構(gòu), 有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的平面外剛度。

　　( 2) 由線性屈曲分析的結(jié)果確定空間結(jié)構(gòu)桿件的計算長度是可行而且方便的。

　　( 3) 混凝土結(jié)構(gòu)自身在外部荷載作用下的變形以及收縮、徐變造成的剛度退化會給上部鋼結(jié)構(gòu)造成較大的影響, 需通過總裝分析來確定整體結(jié)構(gòu)的動力特性以及受力狀態(tài)。

　　( 4) 復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵, 應(yīng)通過有限元分析以及必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施保證節(jié)點(diǎn)的安全性。