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第 44 卷 第 1 期 2014 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol 44 No 1 Jan 2014 苏州国际教育园体育中心结构设计 苗平洲， 张敏 ( 苏州设计研究院股份有限公司，苏州 215021) 摘要 苏州国际教育园体育中心为平面及竖向特别不规则的结构， 其中篮球馆为大跨度屋面， 采用型钢混凝土 柱 + 管桁架为主要受力构件的轻钢屋面体系。采用一端固定支座、 一端带滑动支座的管型材三角空腹钢桁架， 充 分发挥空间桁架优势， 不仅满足建筑立面效果和净高要求， 而且释放温度应力; 对建筑要求的大外挑立面， 也提出 相应的结构对策; 对主体结构的总装模型， 通过多软件的比较分析、 弹性时程分析、 静力弹塑性分析、 对关键构件进 行抗震性能化设计及采取相应抗震措施后的结果表明， 结构具有充分的抗震能力。 关键词 特别不规则;大外挑;大跨度;管桁架;滑动支座 中图分类号: TU3921， TU3933文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2014) 01- 0016- 04 Structural design of Suzhou International Education Park Sports Center Miao Pingzhou，Zhang Min ( Suzhou Institute of Architectural Design Co，Ltd，Suzhou 215021，China) Abstract: Suzhou International Education Park Sports Center is a structure with especially irregular plane and elevation For large span roof of basketball arena，light steel roof system was adopted with steel reinforced concrete columns and tube trusses as the main components Because adopting fixed bearing and sliding bearing on the two ends，triangle hollow steel truss with tube sections takes the advantage of spatial truss in fulfilling facade effects，clear height requirements and releasing the thermal stress Corresponding structural design method was provided for large cantilevered facade Through comparing analysis of different programs，elastic time- history analysis，static elastic- plastic analysis，seismic performance- based design of critical components and corresponding strengthened measures of the whole model，the seismic performance of the structure was ensured Keywords: particularly irregular;large cantilevered structure;large span;tube truss;sliding bearing 作者简介: 苗平洲， 高级工程师， 一 级 注 册 结 构 工 程 师， Email: miaopingzhou qq com。 1工程概况 苏州国际教育园体育中心位于苏州石湖之畔， 大学城内， 交通便利， 用地在景观大道东侧， 与图书 馆相对。体育中心为一座多功能综合性体育健身 馆， 主要有游泳馆、 影音厅、 篮球馆、 乒乓球馆、 羽毛 球馆及其他健身场馆， 整合了文娱活动、 比赛训练、 体育活动、 影视休闲等多种使用功能。建筑地上 3 层， 地下 1 层， 地下室层高 4. 5m， 1， 2 层层高 5. 5m， 3 层层高 6m， 局部 11. 5m。共享大厅成为交通联系 的核心， 1 层为两个游泳馆和休闲运动区域。2 层布 置各类运动馆、 休闲运动区。3 楼布置影音厅、 羽毛 球馆、 篮球馆等层高要求较高的场馆。地下室为人 防车库、 淋浴间及设备用房。各层结构平面图如图 1 3 所示， 立面图如图 4、 图 5 所示。 2地基基础设计 工程基础采用预应力管桩 + 柱下承台及筏板， 预应力管桩采用 C 型开口桩尖， 桩顶伸入承台及筏 板内 50mm。预应力管桩以层粉质黏土层为桩端 持力层， 桩直径为 500mm， 有效桩长为 27 36m， 单 桩竖向承载力特征值为 1 000 1 300kN， 部分桩为 抗压桩兼作抗拔桩， 其构造按抗拔桩设计。 图 12 层结构平面图/m 3上部结构设计 3. 1 设计参数 工程 0. 000m 相当于 1985 国家高程基准 3. 500m。工程主体结构的设计使用年限为 50 年， 建筑结构安全等级为二级， 建筑地基基础设计等级 为丙级， 建筑桩基设计等级为丙级。工程抗震设防 第 44 卷 第 1 期苗平洲， 等 苏州国际教育园体育中心结构设计 图 23 层结构平面图/m 图 3屋顶结构平面图/m 图 4西立面图 图 5东立面图 烈度为 6 度， 对应于设计基本地震加速度值为 0. 05g， 设计地震分组为第一组 1 。根据建筑使用 功能的重要性分类， 建筑抗震设防类别为标准设防 类。根据地质报告， 建筑场地类别为类， 特征周期 为 0. 45s。 3. 2 结构体系 根据建筑设计主要特点， 工程可以定性为上部 结构较为复杂的平面不规则、 竖向不连续、 双层大跨 度的体育场馆建筑。结构设计时需采取特殊加强的 措施。工程不设防震缝， 地上部分设置温度伸缩后 浇带， 地下部分设置膨胀加强带。工程主体结构采 用现浇钢筋混凝土框架结构体系， 楼面为现浇混凝 土梁、 板结构， 框架的抗震等级为三级， 游泳馆及篮 球馆处大跨度型钢混凝土梁、 柱的抗震等级提高一 级， 取为二级。 3. 3 截面尺寸 工程典型框架柱截面尺寸为 600 600， 典型框 架梁截面尺寸为 350 750， 大跨度型钢混凝土柱截 面尺寸为 600 900， 型钢混凝土梁截面尺寸为 500 1 900， 屋面 32. 4m 跨度的钢桁架支座高度为 1 215mm、 跨中高度为 2 000mm。 4结构分析主要结果 工程平面不规则、 竖向不连续， 在结构计算分析 及设计构造中采取了如下措施: 采用 SATWE 及 PMSAP 软件进行分析。软件 计算采用振型分解反应谱法， 且计算中各振型参与 质量之和大于总质量的 90%。经过比较， 两种程序 的计算结果相似且差异较小， 满足现行规范的要求， 见表 1。 主要计算结果汇总表 1 计算软件SATWEPMSAP 周期/s T11. 1381. 092 T21. 0931. 034 T31. 0120. 963 周期比 Tt/T1 0. 8890. 882 基底剪力/kN X 向 6 626. 146 792 Y 向 6 492. 556 994 剪重比/% X 向 2. 132. 15 Y 向 2. 082. 21 有效质量系数/% X 向 99. 7499. 46 Y 向 99. 5099. 76 刚重比 X 向 30. 9825. 58 Y 向 31. 0924. 61 最大层间 位移角 地震作用 风荷载作用 X 向 1/1 1681/1 221 Y 向 1/1 0561/1 116 X 向 1/2 1411/2 258 Y 向 1/2 3851/2 413 结构总质量/t42 863 42 583 采用 PMSAP 软件对整体结构补充弹性时程分 析， 以保证振型分解反应谱法计算的水平地震力满 足抗震安全的需要。弹性时程分析中地震波输入为 人工波 H2TG045、 天然波 TH3TG045 和天然波 TH4TG045， 按 6 度区的地震峰值加速度 18cm/s2考 虑双向水平地震作用( 比例为 1 0. 85) 。计算结果 表明， 三条波的底部剪力平均值大于反应谱法结果 的 80%， 每条波的底部剪力大于反应谱法结果的 71 建筑结构2014 年 65%， 满足现行规范要求。三条波中 X 向最大层间 位移角为 1/1 940、 Y 向最大层间位移角为 1/1 758， 且每条波在弹性时程分析结果中， 都得出 2 层层间 位移角较其他楼层大的结论， 结构配筋时对 2 层进 行了加强。 采用静力弹塑性分析程序 PUSH 对整体模型进 行了结构在罕遇地震下的弹塑性变形分析， 其水平 地震影响系数最大值取 0. 28， 场地特征周期按增加 0. 05s 考虑， 取 0. 50s。经计算， 其罕遇地震下的最 大弹塑性层间位移角 X 向为 1/288( 图 6) 、 Y 向为 1/305( 图 7) ， 远小于规范中钢筋混凝土框架结构弹 塑性层间位移角的限值 1/50， 满足规范要求。 图 6 X 向抗倒塌验算 图 7 Y 向抗倒塌验算 采用通用有限元分析软件 ETABS 和 ANSYS 对 结构的重要构件和重要受力部位进行补充分析， 确 保结构安全。 由于工程平面不规则， 采取下列措施对结构进 行地震作用计算和内力调整， 并对薄弱部位采取抗 震加强措施， 如: 适当弱化内部主体结构， 尽量加强 周边主体结构， 从而提高结构的抗扭刚度， 缩短扭转 周期， 减小扭转变形。经过优化调整， 结构第 1， 2 周 期中扭转成分不超过 25%; 计入扭转影响， 楼层竖 向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不大于 楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的 1. 5 倍; 配筋计算时按弹性板进行计算， 考虑实际楼板刚 度的影响; 局部楼板加厚， 楼板内配筋采用双层双向 拉通配筋， 提高楼板的刚度和强度。 5结构设计主要特点 5. 1 西立面 轴大外挑结构 由于此部分为大跨度外挑结构， 且每层外挑长 度不断加大( 从 4 777mm 至 7 954mm) ， 若用梁式悬 挑则挑梁高度偏大，很难满足建筑净高的要求，故 采用受拉斜柱和框架柱及框架梁形成一个稳定的三 角形结构， 在三角外端设置梁上柱， 以承载上面两层 结构传递的竖向荷载。外围护结构斜墙由于无法采 用普通砌块砌筑， 采用钢结构骨架干挂 ALC 墙板的 形式。 此部位的受拉斜柱属于非常重要的结构构件， 如果此受拉斜柱发生破坏， 则会导致其他构件发生 连续破坏， 造成比较严重的后果， 所以必须保证其受 力破坏迟于其他的结构构件， 设计时将其安全等级 提高至一级。其实景照片及结构图如图 8 所示。经 计算分析可知， 斜柱内的最大轴力为 825. 6kN， 顶部 梁内的水平压力为 641. 6kN， 设计时按压弯构件进 行设计。 图 8西立面 轴大外挑实景及结构图 5. 2 南立面瑏瑨轴右侧处大外挑结构 为了确保南立面有较好的立面效果， 工程在 3 层楼面瑏瑨轴右侧处外挑了 3 077mm， 结构设计时此 处采用了 1 100mm 高钢筋混凝土挑梁来解决。在 屋面处， 瑏瑨轴右侧处外伸距离增大至 5 515mm， 用悬 挑梁则跨度偏大， 且挑梁端需作为屋面钢结构管桁 架的支座， 竖向变形较难控制。经过综合考虑， 采用 从 3 层楼面至屋面标高于瑏瑨轴右侧做一斜柱， 作为 81 第 44 卷 第 1 期苗平洲， 等 苏州国际教育园体育中心结构设计 屋顶大梁的斜撑， 有效地减小了屋顶钢结构管桁架 支座的竖向位移量。对于此处的外围护斜墙， 同样 采用了钢结构骨架干挂 ALC 墙板的形式。其实景 照片及结构图如图 9 所示。经计算分析， 斜柱内的 最大轴 力 为 848. 0kN， 顶 部 梁 内 的 水 平 拉 力 为 219. 5kN， 设计时按拉弯构件进行设计。 图 9南立面 瑏瑨轴右侧处大外挑实景及结构图 5. 3 钢结构 工程钢结构包含两部分内容， 即篮球馆屋面钢 结构和外疏散楼梯景观塔钢结构。 5. 3. 1 篮球馆屋面钢结构 工程篮球馆屋面尺寸为 32. 6m 70. 5m， 为了 有效减小结构自重， 采用轻型钢结构屋面。设计时 采用 32. 4m 跨度的三角空间钢管桁架作为主要承 重构件， 桁架高度为 1 215( 支座) 2 000mm( 跨 中) ， 上弦杆按照建筑找坡要求以 5% 的坡度起坡， 下弦杆水平布置， 如图 10 所示。 图 10篮球馆实景照片 在屋面钢结构设计中， 主要考虑如下几个方面: 对于三角空间钢管桁架支承部位框架梁、 柱抗 震等级提高一级， 并按中震弹性的抗震性能目标进 行设计。 单榀桁架计算: 采用有限元分析软件 ETABS 对 桁架进行恒荷载、 活荷载、 风荷载、 地震荷载、 温度荷 载下的应力、 应变分析， 其最大应力比见图 11， 满足 规范 2 要求。 总装模型计算: 采用有限元分析软件 ETABS 对 图 11屋面管桁架最大应力比 总装模型进行整体受力分析， 以考虑大跨度三角空 间钢管桁架结构对其支承构件及整体结构的影响。 支座设计: 为减小三角空间钢管桁架变形对主 体结构的影响及释放管桁架端部弯矩， 优先考虑采 用与主体结构铰接连接的形式。将三角空间钢管桁 架一端与主体结构采用铰接连接， 另一端与主体结 构采用滑动支座连接， 以大大减小管桁架在温度应 力下产生的水平推力对支座造成的不利影响， 如图 12 所示。 图 12桁架支座结构示意图 图 13外疏散楼梯景观塔实景及 ETABS 模型 ( 下转第 37 页) 5. 3. 2 外疏散楼梯景观塔钢结构 工程于建筑西南角设置了一座外疏散楼梯景观 塔， 如图 13 所示。由于景观塔高度为 27. 4m， 而宽 度仅为 4. 8m， 高宽比远大于混凝土结构适用的高宽 91 第 44 卷 第 1 期贾斌， 等 巨型钢桁架柱外包不锈钢幕墙温度效应研究 变形约为 4mm， 且高应力区域主要集中在幕墙板与 龙骨连接处。 5结论 本文以杭州东站巨型斜柱外包不锈钢幕墙为背 景， 采用现场监测及有限元方法研究了不同温差工 况下幕墙系统的温度效应， 得到如下主要结论: ( 1) 不同季节进行的两次现场测试， 由于昼夜 温差不同以及所取测试的起点时刻不一样， 所得到 的随温度变化的应力时程曲线及轴力时程曲线有所 区别。 ( 2) 综合现场监测结果和有限元计算结果， 验 证了室外温差作用下幕墙不锈钢面板的 von Mises 等效应力小于其屈服强度， 同时幕墙龙骨轴力水平 亦较小， 幕墙系统始终处于线弹性状态。 ( 3) 现场监测结果大于有限元计算结果， 其原 因主要是户外测试受环境干扰较大且采用较长导线 也使监测结果存在一定误差， 建议在此类现场测试 中采用精度较高的无线传输系统。 ( 4) 采用有限元方法分析了全年最大温差荷载 作用下幕墙表面的温度应力及变形， 验证了该幕墙 系统的可靠性。 ( 5) 有限元分析结果表明， 幕墙面板最大温度 应力发生于与龙骨连接的部位， 为使幕墙表面变形 均匀、 不影响正常使用， 不锈钢幕墙板与塑性龙骨不 宜采用点焊连接形式。 综上所述， 温度荷载往往是不锈钢幕墙的主要 荷载之一， 通过对其开展温度效应的试验研究以及 理论分析， 有利于推动不锈钢材料在建筑幕墙业中 的应用。 参考文献 1 宋秋之， 刘志海 我国玻璃幕墙发展现状及趋势J 玻璃深加工， 2009( 2) : 29- 31 2 陆津龙， 左蔚文， 刘雄， 等 国内外幕墙的发展历史及 现状 J 住宅科技， 2009( 4) : 46- 49 3 范重， 王喆， 唐杰 国家体育场大跨度钢结构温度场分 析与合拢温度研究 J 建筑结构学报， 2007， 28( 2) : 32- 40 4 AL SANEA SAMI A Thermal performance of building roof elementJ Building and Enviroment， 2002，37 ( 7) : 665- 675 5 徐芝纶 弹性力学M 4 版 北京: 高等教育出版 社， 2006 6 TONG M，THAM L G，AU F T K，et al Numerical modeling for temperature distribution in steel bridges J Computers and Structures， 2000， ( 79) : 583- 593 7 郑毅敏， 刘永璨， 卢宇航， 等 某体育场环形超长结构 温度应力分析 J 结构工程师， 2007， 23( 4) : 30- 34 8 李红梅， 金伟良， 叶甲醇， 等 建筑围护结构的温度场 数值模拟 J 建筑结构学报， 2004， 25( 6) : 93- 98 9 杨庆祥， 张运坤， 张跃， 等 304 不锈钢热处理过程温 度场和应力场数值模拟J 材料热处理学报， 2009， 30( 2) : 183- 186 10 张玉平， 杨宁， 李传习 无铺装层钢箱梁日照温度场分 析 J 工程力学， 2011， 28( 6) : 156- 162 ( 上接第 19 页) 比， 经反复比较， 采用了钢结构框架结构。考虑建筑 的立面效果， 景观塔在顶层抽掉一根柱子， 仅有三根 柱子作为支承， 给结构设计带来了一定的难度。楼 梯部分采用加肋钢板， 走廊部分采用压型钢板组合 楼板。为了减小结构造价， 结构设计时将梯梁和框 架梁合并设置， 即大部分框架梁为折梁， 且同一标高 平面上不封闭， 框架梁为螺旋形随坡上升， 必须进行 特殊的结构受力分析3 。 在此疏散楼梯景观塔钢结构设计中， 主要考虑 如下几个方面: 按实际杆件的截面和位置， 采用有限 元计算软件 ETABS 进行整体结构的应力、 应变分析 计算， 确保计算结果的准确可靠。对于顶层抽柱处， 在相邻柱顶设置斜拉杆， 确保其安全。 6结语 结合结构设计过程， 详细介绍了苏州国际教育 园体育中心结构的设计思路、 分析方法及相应采取 的措施。对于较为复杂的平面不规则、竖向不连 续、双层大跨度的体育场馆建筑，建议设计时至少 采用两个三维空间分析软件进行计算比较，同时采 用弹性时程分析进行补充计算，采用弹塑性静力分 析考察整体结构抗倒塌能力。将带滑动支座的管桁 架用于大跨度屋面结构，采用通用有限元软件细致 分析钢桁架的应力、应变，确保结构设计安全可 靠。大跨度屋面钢结构应该与下部混凝土结构总装 后进行整体计算。对于结构设计的关键部位和构 件，进行了合理布置和细致分析，相关做法可供类 似工程参考。 参考文献 1 GB 500112001 建筑抗震设计规范S 2008 年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2008 2 GB 500172003 钢结构设计规范 S 北京: 中国计 划出版社， 2003 3 陈绍蕃 钢结构设计原理 M 2 版 北京: 中国建筑 工业出版社， 1998 73