上海某职业技术学院金山校区 -体育馆结构设计

上海某职业技术学院金山校区 -体育馆结构设计

宋熠勇

蔺科（上海）建筑设计顾问有限公司 上海 200000

【摘要】本文通过工程实例，针对上海某职业技术学院金山校区-体育馆结构设计进行简要介绍。通过介绍，探讨有关体育场馆类建筑在结构设计中如何整体分析计算、网架设计及设计过程中遇到的诸多问题，作为同类设计参考。

【关键词】体育馆；装配整体式-框架结构；桩基础；整体分析；网架屋盖

1．工程概况

本项目位于上海市金山区张堰镇，漕廊公路以北，松卫南路以西，康和路以南，西至中侨学院金山校区。扩建工程规划用地面积约181821.70㎡。用地南北长约660m，东西宽约300m。其中体育馆占地面积约5463.15㎡，建筑面积10532.99㎡, 建筑高度23.450m（弧顶最高点），平面轴网尺寸101.7mx58.8m。该建筑地上3层，局部位置为半地下游泳池。内设篮球馆、游泳馆、观众看台及辅助用房。游泳馆一层以上中间空旷。篮球馆二层以上中间空旷，两侧为对称看台。体育馆屋盖采用正放四角锥钢网架结构。见图-1，图-2，图3。

本工程抗震设防烈度为 7 度。设计地震分组为第 二 组，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为IV类，场地特征周期为0.90秒。基本风压：0.55 kN/㎡（50年），地面粗糙度类别：B类。基本雪压：0.20kN/㎡（50年）。设计基准期为50年，结构的设计使用年限为50年。建筑结构的安全等级为二级，地基基础的安全等级为二级。采用装配整体式框架结构(钢网架屋面)，框架抗震等级三级（跨度大于18m的框架抗震等级应提高一级），钢结构抗震等级为四级；基础形式：独立承台桩基础（游泳池位置采用独立承台桩基础+防水板500mm），桩基设计等级为乙级。

图-1 建筑剖面（一） 图-2建筑剖面（二）

2. 地基基础

根据拟建场地的工程地质条件，本场地地层分布较稳定，无全新活动断裂、无滑坡等地质灾害，属稳定场地，在对暗浜地段及液化土层进行适当处理或采用

图-3 二层结构平面

桩基后可建造本工程。本场地地基土为软弱土，属Ⅳ类场地，拟建场地属抗震不利地段。拟建场地为不液化场地。

本工程嵌固在基础顶。依据上部荷载情况及地质条件本工程基础采用静压式预应力混凝土管桩，桩端持力层为⑦-2粉砂层，外径500mm，壁厚125mm，有效桩长约33m，单桩承载力特征值取1600KN，进入持力层不少于1.0m。其中半地下泳池区域采用抗压兼抗拔桩，单桩承载力特征值分别取1600KN（抗压）和350KN（抗拔）。设计过程中考虑到支撑网架的柱沉降可能会对网架产生次应力，因此适当考虑增加支撑网架柱下桩数，从而达到减少沉降量和沉降差。承台与承台间拉设联系梁提高共同作用。

3. 上部结构设计

主体结构采用装配整体式-框架结构，二层采用装配式梁、板，屋顶采用网架结构，上弦支撑基本由柱顶支撑构成，个别处采用混凝土梁支撑。平面局部成椭圆形，二层以上位置中间空旷，支撑网架的柱沿四周均匀布置，沿两侧长轴方向设置看台，看台部分采用现浇混凝土结构，以提高整个结构的整体性和美观性。

有鉴于体育馆建筑自身的结构复杂性及特殊性。针对本工程采取钢筋混凝土主体结构和网架屋盖分开计算，最后再总装分析对下部钢筋混凝土结构配筋进行包络。混凝土主体结构采用中国建筑科学研究院编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 SATWE》 2010版 V4.2计算，基础设计采用中国建筑科学研究院编制的《桩基础和筏板基础设计软件 JCCAD》 2010版 V4.2；网架屋盖和总装分析均采用有限元分析软件同济大学研发上海同磊土木工程技术有限公司3D3S14.0.3。考虑到看台框架竖向结构布置比较复杂，本工程同时还增加了钢筋混凝土框、排架结构计算软件PK，对单榀结构进行补充分析计算- PK二维设计V4.3版本。

3.1 钢筋混凝土主体设计

钢筋混凝土主体结构和网架屋盖分开计算。网架屋盖采用正放四角锥钢网架结构，主要支座均设置在柱顶，个别建筑外围处支座设置在梁上。其中中部受荷最大处的框架柱采用型钢混凝土柱，抗震等级提高一级至二级抗震。由于SATWE计算时不能建网架模型有效考虑网架刚度，因此设计时采用等效钢梁代替，从而代替网架对整体刚度的影响。本次设计是在屋顶网架传力方式输钢梁，简化为交叉钢梁体系，将楼板板厚设置为0，荷载分别设置为恒载2.5KN/㎡和活载1.0KN/㎡。从而使计算结果更加精准。经计算所有指标均满足设计要求，计算结果如下表（一）所示：

表（一）

3.2 网架屋盖设计

网架屋盖采用正放四角锥钢网架结构，网架支座采用抗震型钢球铰支座。屋盖长107.6m，宽58.8m，纵向最大跨度61.3m，横向最大跨度58.6m，弧形屋面，网架最大高度3.6m。考虑建筑功能的扩展性（如局部吊挂等），全部采用焊接球节点。因本工程已整体建模，考虑支座可能出现失效等情况，网架设计时支座按铰接进行结构设计，按刚接对局部构件进行加强以提高结构的安全冗余度，网架上弦所有焊接球上均设置檩托支撑轻钢屋面系统及装饰构件。总装图见:图-4。

其他设计信息均同PKPM设置，建筑结构阻尼比：钢筋混凝土结构0.05；钢结构0.04。恒荷载：屋面上弦1.50KN/m²（包括屋面系统、吊挂设备重量，不含结构自重）；活荷载：不上人屋面上弦 0.70KN/m²。温度作用：合拢温度为15℃。杆件：Q345B无缝钢管，焊 接 球：Q345B钢。本工程选用36种荷载组合进行常规荷载下结构分析，再用振型分解法做地震作用计算。具体分析结果如下表（二）所示：

表（二）

检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，各项指标也满足规范要求。对局部须加强处如支座处腹杆的应力比控制在0.7以下，支座及焊接球适当加强。

图-4 网架总装图

3 .3 总装整体分析设计

总装分析下部钢筋混凝土结构配筋计算结果如下：本工程按实际情况建模计算，下部钢筋混凝土结构建模及荷载同PKPM 模型，总装分析结构前4 阶典型振型如下：

第1阶振型（T1=0.7532 s）Y 向平动 第2阶振型（T2=0.7111 s）X 向平动

第3 阶振型（T3=0.6338 s）竖向振动 第4 阶振型（T4=0.5297 s）扭转

根据计算结果，结构扭转为主的第一自振周期T4 与平动为主的第一自振周期T1之比为0.5297/0.7532=0.703<0.9;满足规范JGJ03-2010 第3.4.5 条A 级建筑不应大于0.90 的要求。水平风及地震位移及挠度值详见钢结构计算书中的位移，经核查位移角及挠度均满足要求。下部钢筋混凝土结构配筋显示未显示超筋，经复核基本与PKPM一致。

3.4 看台设计

看台部分采用混凝土整体浇筑，看台斜梁与框柱交点均不在同一标高。针对两侧看台，结构设计时采用单独计算与整体计算包络设计，两者配筋取大值。由于看台层大部分楼板缺失所以采用弹性板假定进行设计。看台支撑构件受力比较复杂，是带有轴向力的受弯构件，因此斜梁设计时分别对构件的上端、下端、跨中各自的弯矩及轴力按偏压或者偏拉构件计算。

3.5 单榀框架补充分析设计

屋面钢网架拉结成两端铰接的刚性杆，将两侧看台框架组成框-排架结构，采用钢筋混凝土框、排架计算软件PK进行补充分析计算。通过平面框架结构分析，可较好地把握每榀看台框架的受力特点，对框架梁、柱进行配筋和承载力校核，以确保结构安全可靠。

3.6 装配式设计

根据上海市住房和城乡建设管理委员会—沪建建材【2016】601号文件，该体育馆单体预制率应不低于40%。同时结合诸多工程实例，大型体育类框架结构在柱预制、安装过程中存在的诸多问题，本工程仅限于在二层篮球馆区域对梁、板、楼梯进行预制。其中，预制叠合楼板采用(60mm)+现浇（70mm）形式。针对装配式建筑的具体细节不在此赘述。具体装配率计算指标如下表（三）所示：

表（三）

4. 结语

体育场馆类建筑属于比较复杂的空间类建筑，经常伴有大跨度、大空间以及网架屋盖的设计情况，计算分析比较复杂。希望仅通过对本工程设计过程的大致介绍，以期起到相互探讨、相互学习的目的。

参考文献：

[1]沪建建材(2016)601号

[2]GB 50011-2010（2016版）.建筑抗震设计规范 .北京.中国建筑工业出版社 2016

[3]GB50017-2017. 钢结构设计标准. 北京 中国建筑工业出版社 2018