土木工程大作业,不一定很好,毕竟大一作业.docx

体育馆设计小试

摘要： 本设计是一个体育馆, 体育馆底部采用预应力混凝土系统形成锥形结构。上层是桁架—索—拱结构。屋顶采光则使用膜结构，钢结构空间桁架作为支架，覆盖特殊膜材料，固定于钢骨架上。在下部的预应力钢筋棍凝土体系结构中需适当添加结构缝，以适应热胀冷缩。拱两侧的拉索需交错连接于对侧圆拱上，且需施加初始预应力，使圆拱保持平面内及平面外的稳定。预应力系统可以大大减小结构在地震中的变形，有良好的抗震能力。膜结构十分经济,容易拆装,安全轻便。它还耐热耐腐蚀。更重要的是,它的自洁能力强,经济性很好。这是一个屋面材料的很好选择。
关键词 体育馆 预应力 桁架—索—拱 抗震 膜结构
My gym design
I this design is a gym, the gym bottom adopts prestressed concrete system to form the taper structure; Upper is truss, cable, arch structure, arc space truss arch span over the stadium in parallel arrangement, set a steel truss among a series of the truss to form ridge truss. Upper set rigid arch wire sola, the rope also provide tension at the same time, forming truss - line - arch stress system together. Use the membrane structure roof to daylight steel space truss structure as the support to cover special membrane materials, fixed on the steel skeleton. In order to prevent the cracks caused by temperature change of concrete heat bilges cold shrink to construction, shorten the life in the bottom of the prestressed reinforced concrete stick,architecture should be appropriate to add seam structure, to adapt to the heat bilges cold shrink. On each side of the arch and cable are crossing connected on the side arch, and initial prestress, keep the arch of the in-plane and out-of-plane stability.
On the choice of foundation,it is unavailable to choose soft soil layers as strength, which is needed the soil stress of Ps average 5.6 above. Specific circumstances must look for physical distribution of the soil.
Truss beam make each bar stress is given priority with one-way pull, pressure, which enables us to intuitive understanding of the power distribution and transmission and to facilitate the change of structure and composition.Make the structure of tensile, shear and bending capacity increased, make full use of the strength of materials. Prestressed system improves and enhances the strength of the concrete crack resistance,have us make a better use of the high strength material. Membrane structure is economical, easily tear open outfit, safe and light.It also possess the heat resistance and corrosion.What’s more,its self-cleaning ability is strong,light performance is fine.It is a good option for roofing material.
引言
体育馆，室内进行体育比赛和体育锻炼的建筑。体育馆按使用性质可分为比赛馆和练习馆两类；按体育项目可分为篮球馆、冰球馆、田径馆等；按体规模可分为大、中、小型,一般按观众席位多少划分,中国现把观众席超过8000个的称为大型体育馆,少于3000个的称为小型体育馆,介于两者之间的称为中型体育馆。
体育馆的设计需主要注意以下方面：
1， 交通疏散。要能够使观众入场，出场不拥堵，在发生紧急情况时能使人员迅速撤离。
2， 平面布置。室内空间要满足体育比赛对空间的要求（如高度），同时，观众席的设置要保证每一位观众都有良好的观赛视野。
3， 剖面设计。观众席看台的剖面设计直接影响观赏质量。看台多设计成阶梯形，坡度一般不超过30度，台阶高度一般不大于45厘米。在剖面设计中，对于场地高程的确定，应根据交通疏散、机械运输、建筑造价综合考虑。一般体育馆场地高程宜接近天然地坪和场外地坪。
4， 屋顶结构。体育馆的跨度很大，故屋顶的跨度必然很大，且屋顶对建筑的造型起决定性的作用。
一，我所涉及的体育馆的基本结构
建筑用地12000平方米，弧形拱高点42.5米，观众席前排每排升起1.2~1.5米，后排隔排升起0.9~1.1米。坐席俯视角控制在25~31度。
下部主体结构采用预应力钢筋棍凝土体系，通过在工程结构构件承受外荷载之前,对受拉模块中的钢筋，施加预压应力，来实现提高构件的刚度，推迟裂缝出现的时间,增加构件的耐久性的目的。对于机械结构来看，其含义为预先使其产生应力，其好处是可以提高构造本身刚性，减少振动和弹性变形这样做可以明显改善受拉模块的弹性强度，使原本的抗性更强。如图一。
图一
上部屋顶则采用桁架—索—拱结构。屋顶主结构为纵横大垮桁架交叉架立的空间双曲微弓钢桁架结构。弧拱形空间桁架跨越体育场上空并联布置，中间设一道钢桁架串联前述桁架，形成脊桁架。上部设钢丝索拉结刚拱，索同时也提供拉力，形成桁架—索—拱协同受力体系。
如图二。
图二
屋顶采光则使用膜结构，钢结构空间桁架作为支架，覆盖特殊膜材料，固定于钢骨架上。 二，就屋顶的两种结构的取舍讨论
在设计之初，我曾有两种屋顶的设计思路，后经过思量取舍选择了桁架—索—拱结构。
第一种方案为立体交叉网架结构，采用三层斜放四角锥型网架有很好的抗震能力。但其缺点也很明显：1，所需要的钢材较多，成本很高。2，交叉立体网状架结构十分复杂，需要耗费大量的心力。3，立体交叉网状结构会有很大的挡光面积，不利于体育馆内部透光。故最终舍弃第一种结构。
第二种方案为桁架—索—拱结构，虽然其在抗震方面能力不能与第一种结构相比，却也能满足国家需要。而且，桁架—索—拱结构与膜结构结合能够为体育馆提供很大的通光面积，有利于体育活动的开展；此结构成本低，建造的速度也远快于立体交叉网架结构；此结构在外观上有一定的美感，可以进行更好的美学设计。
三，地基选择
不可用软土作为持力土层，需采用Ps平均值达到5.6以上的土层受力。具体情况须看土层实际分布。
四，抗震分析
预应力在抗震上有很大贡献，现说明预应力混凝土在抗震上的优越性： 在抗震设计中要使得建筑结构能够经济有效地抵御地震, 必须满足三个水准目标, 即小震不坏、中震可修、大震不倒。现在从这三个水准目标入手, 比较分析预应力混凝土结构与普通钢筋混凝土结构在抗震性能方面的差异。
1 小震不坏 该准则主要要求防止建筑结构发生较脆的破坏而且避免出现只能承受有限变形的非结构构件的破坏, 这就必须限制结构的弹性变形。从结构抗震分析角度而言, 结构处于正常使用状态时, 可以视为弹性体系, 采用弹性反应谱进行弹性分析。 预应力混凝土框架结构由于施加了预应力, 其抗裂性能得到了很大的提高, 与钢筋混凝土框架结构相比, 一般较晚才出现裂缝, 因此其弹性阶段也相对较长, 这一点更加符合小震不坏的设防标准。
2 中震可修 该准则主要保证建筑结构的主要结构构件在地震荷载作用下不受明显的损坏, 以避免进行困难、昂贵的修复工作, 使得结构稍加修缮后仍能继续工作, 这就要求建筑结构具有足够的强度。由于预应力混凝土框架结构比钢筋混凝土框架结构多，施加了预应力, 其恢复性相对更好, 在卸载之后残余变形都比较小, 而且产生的裂缝一般能够闭合, 因此可以保证预应力混凝土框架结构在中震的情况下, 主要的结构构件不受明显损坏, 避免了进行困难、昂贵的修复工作, 使得结构稍加修缮后仍能继续工作, 从而更加满足中震可修的设防标准。
3 大震不倒 该准则允许结构有很大的损伤, 但必须保证结构能继续存在, 以防止造成重大的人员伤亡, 这就要求结构能经受较大的非弹性变形, 即具有较高的延性。
31 变形的要求 由于预应力混凝土框架结构通常采用高强钢筋和高强混凝土, 在满足同样的强度要求情况下, 一般可以采用较小的构件截面, 因此预应力混凝土框架结构的刚度要比钢筋混凝土框架结构来得小, 也就是说其柔性更大, 在同样的水平荷载情况 下其位移反应比钢筋混凝土框架结构来得大, 其变形能力也相应较大, 但是由于预应力混凝土框架结构的屈服位移较大, 因此按照传统的延性系数来判定结构延性的话, 预应力混凝土框架结构的延性比钢筋混凝土框架结构来得差, 但是目前判定结构屈服点的方法尚未统一 , 而且结构越柔, 延性系数反而越小, 使得延性系数的计算具有相当的随意性, 目前已经逐渐开始直接采用结构的变形能力来表示结构的延性, 特别是结构进入屈服状态之后的变形能力。因此按照变形能力的标准, 预应力混凝土框架结构的延性比钢筋混凝土结构的延性强。
32 能量的要求 在大震的情况下, 钢筋混凝土框架结构和预应力混凝土结构都进入了塑性阶段。根据以往的试验结果表明, 钢筋混凝土框架结构的滞回曲线比预应力混凝土框架结构的滞回曲线更加丰满, 其滞回耗能能力更强, 但是它通过产生大量不可恢复的结构损伤来耗散较多能量, 震后由于破坏比较严重, 修复比较困难甚至无法修复, 这在经济上造成重大的损失。而预应力混凝土框架结构则可以通过配置一定数量的非预应力钢筋, 从 而提高其耗能能力; 而且在保证具有一定耗能能力的同时, 又具有较好的恢复性, 经济效益更佳。
五，对方案中结构的具体优化
1. 下部结构体系优化；为保证上部结构对环梁结构带来较少的变形，在钢筋混凝土结构的顶部需增加预应力环梁结构，对顶部环粱，柱顶环梁增加预应力，使变形减小并均匀。同时，为防止因气温变化混凝土热胀冷缩导致裂缝使建筑寿命缩短，在下部的预应力钢筋棍凝土体系结构中需适当添加结构缝，以适应热胀冷缩。
2. 上部结构体系优化：拱与屋盖是相互作用的共同体。拱依靠屋盖结构稳定拱身，同时又提供钢屋盖竖向悬吊力，解决上凸屋盖的水平推力问题并平衡一部分自重。但拱不宜承担太多的屋盖自重，否则拱身必须加强，同时需改变拱脚形式且不能完全依赖屋盖稳定拱身。拱两侧的拉索交错连接于对侧圆拱上，且需施加初始预应力，使圆拱保持平面内及平面外的稳定。
六，结构优势分析
1. 桁架结构对荷载的帮助：各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合能力。
2. 预应力混凝土的益处：
1）提高了构件的抗裂能力。因为承受外荷载之前预应力混凝土构件的受拉区已有预压应力存在，所以在外荷载作用下，只有当混凝土的预应力被全部抵消转而受拉且拉应变超过混凝土的极限拉应变时，构建才会开裂。 2）增大了构件的刚度。因为预应力混凝土构件正常使用时，在荷载效应标准组合下可能不开裂或只有很小的裂缝，混凝土基本上处于弹性阶段工作，因而构件的刚度比普通钢筋混凝土构件有所增大。
3）充分利用了高强度材料。普通钢筋混凝土构件不能充分利用高强度材料。在预应力混凝土构件中，预应力钢筋先被预拉，而后在外荷载作用下钢筋拉应力进一步增大，因而始终处于高拉应力状态，即能够有效利用高强度钢筋；而且钢筋的强度高，可以减小需要的截面面积。与此同时，应该尽可能采用高强度等级的混凝土，以便与高强度钢筋相配合，获得较经济的构件截面尺寸。
4）扩大了构件的应用范围。由于预应力混凝土改善了构件的抗裂性能，因而可用于有防水，抗渗透及抗腐蚀有求的环境；采用高强度材料，结构轻巧，刚度大，变形小，可用于大跨度，重荷载及承受反复荷载的结构。
3. 膜结构的好处：
1）高强度，重量轻，大跨度。 这种结构形式所采用的材料是高强度织物材料，经纬交织，双面PVDF涂层，耐久性10年以上；且重量轻，相当于普通钢结构屋面的1/10；所以能满足大跨度的要求。
2）力与柔的完美结合，千变万化的柔美造型。这种膜材料是柔性的，因为是经纬交织受力，也就能形成完美的正、负高斯曲率的双曲流线形，如我们熟知的马鞍形等，加之高强钢索在边界的预张力及骨架结构的支撑，能够充分体现力与柔的完美结合并能呈现出千变万化的造型形态。
3）五彩斑斓的色彩景象。这种薄膜材料是透光的，其厚度在1mm左右，颜色上有多种选择，能透射、散射及折射自然光，白天正常的透射比在10%到20%之间，如果是屋顶结构则在白天正常状态下无须照明采光；在夜间，其散射特性在各色灯光的照射下又提供了五彩斑斓的夜间景象.
4）耐温、耐腐及自洁性好。这种薄膜材料能在-20到70度之间工作，加之重量轻，安全性能亦好；普通材料的防火安全等级达到B1级水平；能在盐碱的环境中正常工作，并有一定的自洁性能，膜面能在雨水及人工淋水的情况下保持自身的清洁。
5）工期短，拆装方便。结构形式的简洁明了，以及专业的设计、制作工艺流程，交互工作的机制，使得这种结构类型制作工期大大缩短；可调节及装卸的节点形式使得移动工程变为可能。
6）经济性。相对于普通的大跨钢屋面结构其成本在1/2左右；如今，在健康主导的和谐社会里，张拉膜结构形式将成为主流，为你我搭建一片遮阴避雨的场所，为你我增添一道美丽的风景线。
七，不足之处
对灯光，给排水，暖通等方面还不够完善。未进行抗风计算。对该设计也没有具体的尺寸概念，缺少对成本的分析，缺少施工中的技术难点分析，缺少一些特殊设计，对出入口等一些具体的部分还没有进展，目前只有结构的简要分析，这对于一份真正的土木工程设计报告来说自然是缺少很多的，但这正是我们今后学习的内容。望各位指出其中的不足，以便我在今后抓紧改正。
八，参考文献
1.上海市城乡建设和交通委员会科学技术委员会，上海大型公共建筑设计，上海，上海科学技术出版社，2010年1月，1~15页和109~117页
2.程浩德 房贞政， 有粘结预应力、无粘结预应力以及钢筋混凝土结构抗震性能的比较与分析，福州，福州大学土木工程学院，2008
3.百度百科
4.马峥嵘，三层网架结构设计及抗震性能研究，唐山，中材建设有限公司,2009
5.预应力混凝土的特点