某体育馆结构设计浅析
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摘要：体育馆建筑属于大型公共建筑,建筑规模大、内部功能要求较高,只有在设计前期进行详尽的结构概念设计才能保证结构设计的合理性、安全性和经济性。结构概念设计是运用人的思维和判断能力,在设计前期从宏观上决定结构设计中的重大问题,使结构物既符合功能要求,又有足够的整体性和抗灾害能力。
关键词：体育馆;钢筋混凝土框架；风荷载；钢结构；
1前言
由于体育场馆类建筑往往需要体现其时代性，标志性和地方性，故在建筑设计中需要根据基地特点及环境情况，力图创造出空间跨度合理、空间形式自由，富有现代感和鲜明个性的建筑造型。
本体育馆工程为体现地方性，及体育建筑的富于动感的特点，屋顶檐口出挑较大，屋面整体弧面优美，形似扇贝的造型以及白色的材质，使得整个建筑显得轻巧、灵活。为满足建筑设计的效果，本建筑采用钢筋混凝土框架结构，屋面采用网架结构。基础拟采用桩基础。本建筑结构长度超过《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)的规定要求，采用设置三道膨胀加强带、掺加膨胀剂和增加梁板配筋的方式解决超长问题。建筑结构安全等级为二级，建筑主体结构设计使用年限为50年。由《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)可知，本建筑抗震设防类别为标准设防类。
2工程概况
本工程为综合体育馆，总建筑面积约13900 ，平面为鸡蛋形，建筑平面尺寸107m×94m（不含大台阶）。结构高度约20.5m，地上三层，观众座位数5782 个。结构体系采用现
浇钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级三级。大跨度钢屋盖支撑跨度65m×80.7m，四周悬挑5.5～12m，总投影面积6300m2，采用钢结构桁架壳体结构体系。相对标高±0.000 相当于绝对标高10.0m。室内外高差0.45m。工程拟建场地为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 秒。抗震设计依据国家抗震规范，按丙类建筑（中小型体育场馆）、设防烈度6 度（0.05g）、设
计地震分组第一组进行抗震设防。本工程建筑物安全等级为二级，结构设计使用年限50 年。
3结构设计中的问题分析
3.1基础形式及施工问题分析处理
由于本工程为体育场馆类建筑，故大部分区域为大跨度结构，则部分柱底内力较大，且各柱下内力相差极大。根据勘察单位地质报告及现有地形条件揭示，地基持力层起伏较大并有土层缺失，地形实际落差达到十几米，故综合考虑安全性，经济性及结合当地基础施工经验，决定采用人工挖孔桩的桩基基础形式。后施工过程中发现，本工程施工场地原为池塘地段，主要土层为人工填土，淤泥质土，粉砂岩，砂岩，因池塘长期蓄水，淤泥下卧粉砂层含水丰富，在挖孔至粉砂层时，因使用潜水泵抽水，破坏了原土体中形成的净水平衡，导致地下水从开挖面四周涌入，产生的动水压力使粉砂处于悬浮状态形成流沙层，极大影响了基础施工。经多方研究在保证安全的前提下，尽量以经济性和施工便捷性为原则，采取的措施是开挖至流沙层时，探明大致厚度，使用钢护筒分节压入流沙层，浇筑混凝土护壁固定，使桩孔穿过流沙层达到预定的设计持力层。目前该工程土建部分已经完工，基础部分经检验已经满足原设计的要求，证明该处理方式合理有效。
3.2.结构整体计算分析
本工程所在地属于沿海城市，风荷载设计标准按照50 年一遇取基本风压值为0.75kN/,屋面为大跨度钢屋盖，属于风敏感结构，风荷载影响比较大。此外，虽然本工程抗震设防烈度为6 度，但由于结构平面布置不规则，各楼层使用功能不相同，加上内场周围的几层观众看台与各楼层互有交错，造成整体结构质量分布不均匀，且考虑到屋面的大跨度桁架与下部结构的相互影响，故地震荷载对结构整体的作用也属于重要的设计内容。下面分别介绍风荷载在建立模型时的模拟方式，抗震设计在本工程设计中的目标，最后比较两种计算程序对结构模型整体计算的结果以验证结构的合理性。
（1）风荷载作用
由于本工程平面及立面布置不规则，楼层平面基本不相同，且观众看台从上至下通过多层与结构平面和竖向构件相交，结构整体分层不清晰，风荷载的加载方式不能使用常规
的结构计算方式，即按照规范中式（建筑结构荷载规范GB 50009―2001 7.1.1-1）计算风荷载标准值，然后分层加载在楼层刚度中心的方法。经过对荷载规范中风荷载计算方式的研究，结合计算程序的特点，对本工程的风荷载加载采取了分两部分进行的方法；首先，对体育馆主体混凝土框架结构，在结构立面分别选取几个构件质量比较集中的标高，按照迎风面及背风面受力的情况，分别计算风荷载标准值，将所得荷载值分配到该标高的各主要竖向构件上；
其次，对钢结构屋盖的风荷载作用，跟据荷载规范规定的风荷载标准值计算方法，分别考不同高度区域，不同角度分别计算风荷载值后直接在屋盖表面加载，再将两部分荷载定义为同一工况，按照相同的荷载组合系数，由程序计算出结果。屋面风荷载标准值计算中，对于体形系数的取值参照荷载规范表7.3.1 第35 种情况，屋面为近似旋转壳顶，而本工程屋盖高度f 与跨度l 的比值大约为15/105
(2)地震作用
本工程抗震设计按照国家抗震规范，设防烈度6 度，设计地震分组第一组进行抗震设防，地震作用下结构的内力和变形分析采用振型分解反应谱法。对于部分特别重要的构件，或整体结构的薄弱部位，例如支撑钢结构屋盖的混凝土柱，除了作为主受力竖向构件承担结构的自重外，还有大跨度的斜向看台梁与之相交，在水平地震作用时受力情况复杂，故仅满足多遇地震作用下的设计要求是不够的，需要对其进行抗震性能设计以达到规范规定的 “小震不坏，中震可修，大震不倒”要求。
①多遇地震（小震），按反应谱验算（地震影响系数最大值αMax=0.04），并整体按弹性配筋设计；②基本烈度（中震），按反应谱验算（地震影响系数最大值αMax=0.115），重要竖向构件，弹性工作，其余抗侧构件不屈服；③罕遇地震（大震），按反应谱验算（地震影响系数最大值αMax=0.25），重要竖向构件不屈服。
在程序计算中通过设置地震力调整系数分别计算小震，中震，大震情况下的结构内力，对支撑钢结构屋盖的混凝土柱，不同标高看台梁搭接形成的短柱，屋顶环梁等进行比较设计，从而达到抗震性能化设计的目标。
结语
为满足使用及外观要求，体育场馆类建筑与常规工业与民用建筑相比，平面及空间结构布置更复杂，常用大跨度空间结构，混凝土结构与钢结构相结合的方式，在结构方案选择阶段就需要对各种结构体系的特点有清楚的了解，在设计过程中对结构受力性能影响大的因素有足够的认识，针对重点和薄弱环节进行详细分析，力求能够借助计算软件建立反映结构真实情况的模型，才能使设计结果更准确。