济南奥林匹克体育中心游泳馆结构设计-Rev

济南奥林匹克体育中心游泳馆结构设计傅学怡杨想兵林欣（中建国际（深圳）设计顾问体育事业部，北京100029）摘要：本文主要介绍济南奥林匹克体育中心游泳馆结构设计中的一些关键技术问题，包括结构构成、荷载取值、屈曲分析、地震分析、总装分析及结构的关键节点设计等。关键词：结构构成荷载分析总装分析节点设计一、工程概况济南奥林匹克体育中心位于济南市东部新区，北起经十东路，南至体育南路，东到体育东路，西临体育西路。该中心占地约75公顷，建后将用于举办2009年第十一届全国运动会。图1为济南奥林匹克体育中心的鸟瞰图，其主要包括基地西区的奥体主体育场、练习场、相关的辅助设施和基地东区的体育馆、游泳馆及网球中心。奥体中心游泳馆位于场地的东北角，它与东南角的网球馆沿东西向轴线成对称式布置，环抱着东区的中心场馆——体育馆。游泳馆总建筑面积约为3.5万平方米，设计观众规模约为4000人座。馆内设有比赛区、热身区和商业区。图1：济南奥林匹克体育中心鸟瞰图二、结构构成图2为济南奥林匹克体育中心游泳馆上部钢结构的平面布置图，按照建筑功能的不同，屋盖采用了不同的结构形式。比赛区屋盖跨度较大，最大跨度约达90米，采用高度为5m的管桁架结构，桁架上下弦面外采用系杆连接，并在端部区域设置屋面水平支撑，以保证桁架结构的面外稳定。同时，由于比赛区纵向较长，共采用14榀桁架，为进一步增强桁架结构上下弦的面外稳定性，在第7榀与第8榀桁架的上下弦之间各增设一道水平支撑，如图2所示。墙体采用柳叶形式的折板结构，结合建筑外墙幕墙柱，形成菱形格构柱，从而有效增强了屋盖体系的支承刚度和墙体结构的抗侧刚度，如图3所示。热身区和商业区利用室内分隔设柱支点，屋盖跨度约为24米，采用工字钢梁结构，墙面采用空间折板结构。上部钢结构屋盖由北向南渐低，结构最高点30米，最低点20米。图2：游泳馆钢结构平面布置图波峰波峰波谷幕墙柱波谷幕墙柱图3：典型墙面结构构成三、荷载分析及其效应组合济南奥林匹克体育中心游泳馆上部钢结构屋盖设计考虑了恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用及相应的荷载组合。（一）恒荷载屋面恒载考虑金属屋面、檩条、天沟及防水保温等，荷载取2；屋面2，按给排水专业提供的平面位置输入；悬挂荷载根据强相关专业提供的设备重量、位置以及马道的平面布置按实际情况输入；kN/m2。折板墙面采用金属穿孔格栅板，考虑金属板、檩条等，荷载取kN/m2；内侧玻璃幕墙荷载取kN/m2。（二）活荷载根据《建筑结构荷载规范》，kN/m2，大于山东省kN/m2kN/m2取值。（三）风荷载风荷载取值按规范和风洞试验报告双控。基本风压w0=/m2（100年重现期），地面粗糙度为B类，风压高度变化系数统一取z=1.42（最高处离地面30m），风振系数z=，风载体型系数s，如图4所示。图4：风载结构体型系数s（四）温度作用本工程合拢温度取为15℃，结构的温度作用主要考虑结构整体温差效应，室外构件采用±25℃的温差，室内构件考虑到保温和室内空调等作用，采用±（五）地震作用本地区抗震设防烈度为6度，I类场地，设计地震分组为第二组。根据拟建场地安评报告，地震作用取值如下：50年超越概率63%时，地面水平地震峰值加速度为17gal，水平地震影响系数最大值为0.041，场地特征周期为0.37s。50年超越概率2%时，地面水平地震峰值加速度为86gal，水平地震影响系数最大值为0.219，场地特镇周期为0.61s。大跨度钢结构屋面应考虑竖向地震作用，竖向地震影响系数最大值取为水平地震影响系数最大值的0.65。（六）荷载组合荷载组合依据《建筑结构荷载规范》（GB50009），结构重要性系数。表1无地震参与的承载力极限状态荷载效应组合组合恒载活(雪)载风压升温降温1恒+活(雪)2恒+活(雪)3恒+风1.24恒+活(雪)+风x5恒+活(雪)+风x6恒+升温7恒+降温8恒+活(雪)+降温x9恒+活(雪)+降温10恒+风+升温x11恒+风+升温x1.412恒+风+降温x13恒+风+降温x1.4注：风载的工况包含四种不同风向组合。表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)载水平地震竖向地震风荷载温度1水平地震作用与风荷载1.22竖向地震作用与风荷载1.20.3水平、竖向地震作用与风荷载4竖向、水平地震作用与风荷载5水平地震与温度作用6竖向地震与温度作用7水平、竖向地震作用与温度作用8竖向、水平地震作用与温度作用9水平地震、风荷载与温度作用10竖向地震、风荷载与温度作用11水平、竖向地震、风荷载与温度作用12竖向、水平地震、风荷载与温度作用注：（1）温度作用包括升温和降温两种组合。（2）水平地震作用包括X、Y两个方向的地震，当计算水平地震作用和同时计算水平与竖向地震作用时，。（3）。表3正常使用极限状态荷载组合组合恒载活(雪)载风荷载1风荷载2风荷载3风荷载41恒+活(雪)1.02恒+风荷载13恒+风荷载24恒+风荷载35恒+风荷载4表4弹性反应谱大震作用复核组合恒载活(雪)载水平地震竖向地震1水平地震作用1.02竖向地震作用1.03水平、竖向地震作用1.04竖向、水平地震作用1.0四、结构计算分析及计算结果（一）有限元模型本工程计算主要包括钢结构单体分析、混凝土单体分析以及钢结构与混凝土总装整体分析三个阶段。钢结构单体分析时，杆件采用frame单元，弦杆连续，腹杆按刚接、铰接双控，钢结构与下部混凝土结构相连的支座节点刚接。下部混凝土结构单独分析时，将上部钢结构恒荷载及活荷载作用下支座反力施加在钢结构与混凝土结构的连接界面上。总装分析中，上部钢结构与下部混凝土连接处按连续节点处理。图5：钢结构单体三维计算模型图6：总装三维计算模型（二）结构变形——单独钢结构表5结构最大挠度荷载组合位置最大挠度（mm）控制值（mm）恒+活比赛区管桁架225（L/400）热身区与商业区工字钢梁6465（L/400）恒+风比赛区管桁架225（L/400）热身区与商业区工字钢梁65（L/400）计算结果表明，上部钢结构在恒+活及恒+风作用下的变形均满足规范要求。（三）结构自振特性钢结构单体计算前三周期为0.798s、0.734s、0.645s，分别表现为结构X方向水平振动、Y方向水平振动、Z方向竖向振动。由于下部混凝土结构对上部钢结构的有限支承刚度，总装分析中结构前两周期和，但振动形态与单体相同，为钢结构的X方向水平振动和Y方向水平振动。总装分析的第三周期为0.663s，出现了混凝土与钢结构的整体振动，这主要因为混凝土单体的第一周期为0.681s，与钢结构单体的第三周期相近。只有进行总装分析，才能更准确地揭示结构在地震、温度等各种荷载作用下的受力性能，尤其是混凝土与钢结构连接界面构件的内力和变形。（四）屈曲分析考虑初始荷载组合1.0恒载+1.0活载，结构线性屈曲分析的第一阶屈曲模态为比赛区管桁架下弦平面水平斜撑的面外屈曲，屈曲临界荷载大约为初始荷载的11.88倍，第二阶屈曲模态为比赛区管桁架跨中附近上弦杆的面外失稳，屈曲临界荷载大约为初始荷载的13倍，因此，本结构具有较好的整体稳定性。图7：第二阶屈曲模态五、关键节点设计本工程结构较复杂，相贯节点连接的钢管数目较多，尤其是在幕墙柱顶和桁架拐角处，节点构成非常复杂（如图8所示），规范中没有相应的计算公式。因此，本工程采用有限元软件ANSYS对其进行弹性和弹塑性分析，针对不同分析结果提出了主管转角位置添加加劲板、局部截面加厚、添加刚性膜等有效的加强措施。图8：典型节点六、结语济南奥林匹克体育中心游泳馆根据建筑功能的不同合理地采用了不同的结构形式，在比赛区有效地利用了幕墙柱与折板墙面波峰组成菱形格构柱，大大提高了