体育馆等空旷建筑结构的设计方法研究

关键字：空旷建筑；结构设计；体育馆本

本文讨论屋盖为钢网架或桁架，下部为钢筋混凝土框架的体育馆等空旷建筑结构的设计方法，可供结构设计人员参考。此类结构特点是，体型复杂，大跨度，楼面面积较小，大开洞，屋盖一般为网架或桁架大跨度钢屋盖，下部结构为钢筋混凝土框架或框架剪力墙体系。近年来，随着我国建筑行业及经济的迅速发展，像体育馆等空旷建筑越来越多，而针对空旷建筑，规范对其规定的内容不是很多，这就给经验尚未丰富的结构设计人员在初次接触此类结构时，会造成一时的找不到设计思路，不知道该控制哪些参数，不知道该注意什么，不知道需要加强什么，概念设计又包括哪些方面等问题。在本文中，本人结合刚做完的一个实际工程对这类建筑结构设计的方法进行讨论，总结此类建筑的一般设计方法、设计步骤，给结构设计人员在设计此类建筑时以参考，明确设计思路。本文的实例工程为：某市职业中专学校体育馆。

1工程概况

本工程所在地的场地抗震抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第二级，场地类别为II。此体育馆建筑高度为21.77m，中间为比赛运动场地，四周为看台及局部办公室，看台为2层，局部办公室为4层，屋盖采用钢网架结构，下部结构采用钢筋混凝土框架结构，体育馆剖面示意图见图1。

2概念设计

此类建筑结构应注重概念设计，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置，以保证结构具有良好抗震性能。此类建筑概念设计的内容包括：选择对抗震抗风有利的结构方案和布置、结构整体是增加刚度还是减小刚度、释放温度应力还是硬抗温度应力、尽可能多地使构件处于轴向受力状态而充分发挥材料强度、尽可能多地使构件处于受拉状态而避免稳定性问题、结构传力路径的选择等［1］。本工程工程的结构概念设计主要从以下几方面考虑：

2.1加强网架支座下的钢筋混凝土柱

（1）加大柱的截面尺寸，截面不能限制得太小，应比计算需要的适当放大。本工程采用直径为900mm、1000mm的圆形截面柱，计算出的轴压比最大为0.40。（2）将此柱的抗震等级提高一级。（3）比计算结果适当放大柱的纵筋。（4）柱的箍筋采用全长加密，以提高柱的延性。

2.2对薄弱部分采取加强措施

（1）对于柱顶的环梁，应加大其截面，使其有足够的刚度，保证结构的整体性。对于本工程，顶部的环梁截面400mm×900mm。且在配筋时，环梁的纵筋应有较多的拉通筋，以承受拉力。（2）对四周的局部楼板，当板宽度较小时应加强板厚及配筋。对于本工程在四层处的天桥，其宽度只有1.7m，故本设计对天桥板进行了加强设计，板厚采用150mm厚，配筋为双层双向拉通设置。

3设计方法

（1）钢屋盖采用钢结构设计软件进行建模分析。（2）下部钢筋混凝土结构采用PKPM钢筋混凝土结构相应模块进行建模分析，并将钢屋盖在支点处的内力在柱的节点处以节点内力输入，参与计算。且分析时对于整体指标的控制及配筋计算应分别建立模型进行分别计算，两个模型在建模分析时的主要注意点如下：①整体指标计算模型：网架屋盖用钢梁输入，柱上端设置成铰接，板厚可设50mm（主要是考虑网架屋盖的自重及刚度），考虑刚性楼板假定计算整体指标：位移、位移比、周期、周期比；②配筋计算模型：网架屋盖按空洞输入，将支座反力按节点内力输入在柱顶，柱上端设置成铰接。又因网架屋盖有风浮力及竖向地震作用，所以提供过来的支座反力是一个从最大正值到最小负值的一个范围，而X向及Y向力取最大值/1.2按整个平面同一个方向输入即若输正值则全部输正值，若输负值则全部输负值，故按以下两种工况模型分别计算：a.体育馆Nmax工况模型：根据网架提供的支座反力，取RZ为负最大值（即向下的压力最大值）；同时考虑梁上的墙体荷载。此模型用于：计算梁配筋；计算柱在压力工况下的配筋；计算在压力工况下的柱底内力；b.体育馆Nmin工况模型：根据网架提供的支座反力，取RZ为正最大值（即向上的拉力最大值）；同时取消梁上的墙体荷载（此时梁上墙荷属于有利荷载）。此模型用于：计算柱在拉力工况下的配筋；计算在拉力工况下的柱底内力［2］。

4结构布置

结构布置的原则同一般建筑结构一样，基本要求如下：（1）结构布置宜规则、对称，受力明确，传力合理、途径不间断，并应具有良好的整体性，不应采用严重不规则的结构布置。（2）尽可能设置多道抗震防线。当建筑允许设计剪力墙时，宜设计剪力墙，将下部结构设计成框架剪力墙结构体系。

5控制指标

钢筋混凝土结构指标控制：（1）控制结构的质量比、刚度比、层间受剪承载力、剪重比、位移角。（2）因此类结构为空旷、开口结构，不具有明显的“层”概念，所以对于位移比、周期比的计算结果仅作为参考，且尽量满足规范要求。（3）应控制轴压比、配筋率、配箍率、剪压比等各项指标满足规范要求。

6考虑温度作用

对于体育场馆等类型的建筑往往为超长结构，温度作用效应不可忽视，应采用措施减少温度应力对结构的影响，可通过设置适宜的后浇带、加大梁板通长筋的配筋率、采用低水化热的普通硅酸盐水泥和级配良好的碎石骨料配制混凝土、低温合拢、加强混凝土养护、采用高效减水剂降低水泥用量、配置适当的构造钢筋等措施都可以有效地减小施工阶段温度应力以及混凝土收缩的影响。

7结束语

总而言之，体育馆类建筑为空旷、开口结构，体型复杂，应注重概念设计，且在设计的过程中应不断总结经验，积累经验，使此类结构的设计合理、安全、经济、适用。本文根据体育场馆结构的设计经验，介绍体育场馆类结构的设计过程和方法，为此类结构设计提供一些建议和参考。