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1、临夏市奥体中心体育场钢结构罩棚结构初步设计上海普玄建设工程有限公司 体育场屋盖结构初步设计一、 工程概况甘肃临夏体育场于甘肃省临夏市区，选址东侧为折双路，西侧为南滨河东路，南侧为规划路，北侧为龙岩南路。体育场建筑平面尺寸262mX232.6m，总建筑面积约36753 m2，可容纳2万名观众。体育场平面图如下图所示：图1 体育场平面图二、设计规范和依据1、建设单位提供的委托任务书及本院有关专业资料。2、临夏体育场建筑方案平面布置图、剖面图2、主要设计规范、标准及规程 建筑结构可靠度设计统一标准 GB 50068-2001 建筑工程抗震设防分类标准 GB 50223-2008 建筑结构荷载规范 G
2、B 50009-2012 混凝土结构设计规范 GB 50010-2010 建筑抗震设计规范 GB 50011-2010 钢结构设计规范 GB 50017-2003 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ 99-98拱形钢结构技术规程 JGJ/T249-2011冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50018-2002 建筑钢结构焊接规程 JGJ181-2002 钢结构高强度螺栓连接的设计，施工及验收规程 JGJ82-91空间网格结构技术规程 JGJ 7-20103、建筑结构安全等级和设计使用年限建筑结构安全等级：一级建筑重要性系数：1.1结构设计使用年限：50年结构设计基准期：50年建筑抗震设防分类：乙类
3、三、设计荷载1、屋面恒载：取0.6 kN/m2 （自重另计）；悬挂荷载：根据设备专业提供的设备重量及布置位置及马道的平面布置输入2、屋面活荷载：取0.5 kN/m2 （并考虑不利布置）； 3、 风荷载 1) 设计风荷载100年重现期之基本风压为0.35kN/m2， 2) 地面粗糙度类别为B类。 3）屋盖体型系数：+1.3-1.3-1.3+0.5 4）屋盖的风振系数取1.8。 4、雪荷载 取100年一遇基本雪压：0.3 kN/m2（并考虑不利布置）； 5、地震作用 本工程为重点设防类，抗震设防分类为乙类， 抗震设防烈度7度，第三组，基本地震加速度值0.10g。场地土类别:二类场地特征周期:0.4
4、5s阻尼比0.02 6、温度作用取使用阶段最高和最低温度与钢结构安装合拢温度的差值且对金属结构等对气温变化比较敏感的结构，宜考虑极端气温影响结构初始温度10，升温30，降温-40 7、荷载组合无地震参与的承载力极限状态荷载效应组合(考虑了结构重要性系数1.1)组 合恒载活(雪)载负风压正风压升温降温1恒+活(雪)1.350.7x1.42恒+活(雪)1.21.43恒+负风1.01.44恒+活(雪)+正风1.21.40.6*1.45恒+活(雪)+负风1.21.40.6*1.46恒+正风+活(雪)1.20.7x1.41.47恒+负风+活(雪)1.20.7x1.41.48恒+升温1.01.29恒+降温
5、1.21.210恒+活(雪)+降温1.20.7x1.41.211恒+活(雪)+降温1.21.40.6x1.212恒+负风+升温1.01.40.6*1.213恒+升温+负风1.00.6x1.41.214恒+正风+降温1.21.40.6*1.215恒+降温+正风1.20.6x1.41.2有地震参与组合的承载力极限状态荷载效应组合组 合恒载活(雪)载X向地震Y向地震Z向地震风温度1x向地震作用与风荷载1.20.71.30.2x1.42y向地震作用与风荷载1.20.71.30.2x1.43竖向地震作用与风荷载1.20.71.30.2x1.44x、竖向地震作用与风荷载1.20.71.30.50.2x1.
6、45y、竖向地震作用与风荷载1.20.61.30.50.2x1.46三向地震作用与风荷载1.31.30.50.2x1.47三向地震作用（z向为主）与风荷载0.50.51.30.2x1.48x向地震与温度作用1.20.71.30.3 x1.29y向地震作用与温度作用1.20.71.30.3 x1.210竖向地震与风温度作用1.20.71.30.3 x1.211x、竖向地震作用与风荷载1.20.71.30.50.3 x1.212y、竖向地震作用与风荷载1.20.71.30.50.3 x1.213三向地震作用与风荷载1.31.30.50.3 x1.214三向地震作用（z向为主）与风荷载0.50.51
7、.30.3 x1.2注：风荷载及温度作用均包括正负两种组合；计算水平地震作用和同时计算水平与竖向地震作用时：承载力抗震调整系数取0.75；仅计算竖向地震作用：承载力抗震调整系数取1.0；风荷载组合值系数取0.2，温度作用组合值系数取0.3； 同时考虑x偏45度地震作用及双向水平地震作用。正常使用极限状态荷载组合组 合恒载活(雪)载负风压正风压升 温降 温1恒+活(雪)1.01.02恒+负风压1.01.03恒+正风压1.01.04恒+升温1.01.05恒+降温1.01.0 四、结构设计 1、设计控制标准屋顶桁架的结构设计控制参数变形指标：罩棚前端挠度控制为L/125（L为罩棚悬挑长度）应力指标：
8、杆件最大组合设计应力不大于0.9f（f为钢材设计强度）稳定指标：结构整体稳定及受压构件局部稳定极限屈曲荷载/ （恒+活）荷载的屈曲系数K5 2、结构选型体育场屋盖为全钢结构,最大高度约为30米，最大水平长度约为48米，最大悬挑长度约为33米。屋面采用悬挑空间桁架结构体系，材料选用Q345D的热轧无缝圆管。主桁架采用正放三角形空间桁架，宽度2m，最大根部高度5m，端部高度1m。下图为单榀典型桁架剖面图：图2 典型桁架剖面、轴侧图 图3 桁架布置图根据建筑要求，桁架结构采用正放三角形钢管桁架，桁架平面布置详见图3，由于两榀桁架之间有一部分“花瓣型”的透明膜存在，结构通过在透明膜边界设置环向弧型桁架
9、连接主桁架和环向次桁架，主桁架与环向弧形桁架之间用横杆或桁架连接。体育场下部混凝土看台设置有四道伸缩缝将主体结构分为4段，而上部钢结构未设结构缝断开。为减少下部设缝对上部钢结构的影响，并减少上部钢结构的温度效应，设计时将伸缩缝附近的钢结构环向桁架与主桁架的连接节点改为伸缩缝滑动节点，相关主桁架撑杆支座采用单向滑动支座。3、结构主要构件规格经过对本工程整体结构的初步计算，采用该悬挑空间桁架结构体系的情况下，能够满足国家现行规范的要求。主要构件的规格如下：主桁架：桁架最大高度约5m ，弦杆截面402，腹杆截面180、299，支座撑杆截面351环向桁架：与主桁架等高，弦杆截面245，腹杆截面180尾
10、桁架：弦杆截面245，腹杆截面1804、节点设计屋面钢管桁架主要采用相贯焊接节点；主桁架撑杆支座和主桁架柱脚节点采用抗震球形钢支座。球形钢支座传力可靠，转动灵活，不但具备盆式橡胶支座承载能力大、容许支座位移大等特点，而且作用在混凝土上的反力比较均匀，与盆式支座相比球形钢支座不用橡胶承压，不存在橡胶老化对支座转动性能的影响，特别适用于低温地区。五、主要结构材料1、钢材： 屋面桁架、斜杆及檩条均采用Q345D。 钢结构的钢材应符合下列规定： 1)钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大 于0.85； 2)钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20； 3)钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧
11、性。无缝钢管按GB/T 17395-1998选用。2、焊条：E55型焊条，用于级钢；E50型焊条，用于Q345D；六、结构分析及结果1、分析方法计算软件本工程结构单元计算分析程序在此阶段采用同济大学独立开发的3D3S V11.0钢结构空间结构设计软件进行分析。根据各结构单元情况采用足够振型数，按振型分解反应谱法分析，并考虑扭转耦联振动影响。2、各区主要计算结果及初步分析 a.内力分析结果（轴力）b.屋面悬挑桁架端部垂直最大位移值组合位置位移最大值（mm）方向1恒桁架端部-105(1/314)向下2恒+活(雪)桁架端部-151(1/218)向下3恒+负风压桁架端部+20（1/1650）向上4恒+
12、正风压桁架端部-156（1/212）向下5恒+升温桁架端部-82（1/402）向下6恒+降温桁架端部-136(1/242)向下组合1整体变形图组合2整体变形图组合3整体变形图组合4整体变形图组合5整体变形图组合6整体变形图c.典型支座反力节点控制组合号组合序号NxNyNzMxMyMzNy最大311-56.1988.7-187.10.00.00.0Nz最大161-24.6-303.63413.80.00.00.0Mx最大11-31.959.72784.80.00.00.0My最大11-31.959.72784.80.00.00.0Mz最大11-31.959.72784.80.00.00.0合力最
13、大161-24.6-303.63413.80.00.00.0Nx最小281-79.5714.71105.70.00.00.0Ny最小40135.8-1047.93116.20.00.00.0Nz最小261-37.7918.4-870.50.00.00.0Mx最小11-31.959.72784.80.00.00.0My最小11-31.959.72784.80.00.00.0Mz最小11-31.959.72784.80.00.00.0Ny最大311-56.1988.7-187.10.00.00.0d.线性屈曲考虑初始荷载组合为1.0恒+1.0活及1.0恒+1.0正风压两种工况。1.0恒+1.0活：
14、结构第一阶屈曲为前端环桁架屈曲引起悬臂结构端部的整体屈曲，线性屈曲的临界荷载约等于6.7倍初始荷载。1.0恒+1.0正风压： 结构屈曲形态同恒+活荷载模式下的结构屈曲形态，线性屈曲的临界荷载约等于6.6倍初始荷载。3、多程序校核为了进一步确定结构分析程序的可信度，在对结构模型进行分析计算时共采用了两个结构计算软件： 3d3s v11 和MIDAS v8.0。3d3s和MIDAS都是通用结构分析和优化设计软件，都具有强大的结构分析和设计能力，使得工程师很容易地进行复杂和大型结构的分析和设计。两个软件建立模型时都采用完全相同的材料参数、截面特性、约束条件、荷载工况以及计算假定。通过比较，两个程序计
15、算结果的误差都在5%以内，这说明计算结果具有很高的可信度。下面仅给出上部钢结构模型的计算比较结果。a.自振周期比较下表列出了3d3s和MIDAS模型从第1到第9振型的自振周期，自振周期均采用特征向量法计算。两个程序计算得出的周期基本一致。振型阶数3d3s周期（s）MIDAS周期（s）10.79360.783520.75100.74230.74430.71940.73330.709750.71770.693560.71360.693370.69570.682780.69250.673690.68720.6707b.位移比较3d3s模型在“1.0恒+1.0活”工况下的最大竖向位移是151mm，MIDAS模型在“1.0恒+1.0活”工况下的最大竖向位移是151mm，均发生在悬挑长度最大处。两个程序计算出来的“1.0恒+1.0活”工况下最大位移几乎完全相同。MIDAS模型在“1.0恒+1.0活”工况下的竖向位移(mm)
