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1、某学校多功能体育馆结构设计介绍摘要某多功能体育馆，长度 170 米，宽度 90 米，负一层左半部分为一 800 人多功能报告厅，右半部分为体育馆，首层为足球场，场地地形坡度较大，属于 山地建筑，基础采用逐步放坡的天然地基独立基础，主体结构采用钢筋混凝土框 架结构，属于超长结构，对屋面板进行了温度应力分析，报告厅屋面跨度为 33m 体育馆屋面最大跨度35m，该部分采用钢梁-钢筋桁架楼承板屋盖。关键词山地建筑；大跨度屋面；钢梁-钢筋桁架楼承板屋盖一、工程概况某多功能体育馆，长度170米，宽度90米，地下室2层，负2层层高6米 负一层层高12米，建筑高度18米，左边为下沉广场，下沉广场屋面为一椭圆形
2、 洞口，椭圆洞口长轴尺寸19m,短轴尺寸15m,中间为一 800人多功能报告厅， 右半部分为体育馆，首层为足球场。结构设计基准期为 50 年，结构设计使用年 限为 50 年，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为乙类，基本风压 0.5kN/m2抗震设防烈度为7度（0.1g），场地类别为II类，设计地震分组为第 一组。二、基础选型建设用地轮廓呈不规则形状，属低山丘陵地带，场地现状地形坡度大，属于 山地建筑，该建筑因地制宜，依山而建，属于半地下室结构，室内外高差变化较 大，室外最低点低于地下室底板面约5米，且勘察报告揭示，土层中含有大量孤 石。1）旋挖灌注桩施工工艺成熟，穿透力较强，能较大程度
3、上克服孤石对桩基 础施工的影响，但是造价高、工期慢。2）预应力混凝土管桩施工速度快，造价低，但是场地内孤石分布较广泛， 不利于预制桩的沉桩，在沉桩过程中遇到孤石，可能发生断桩、斜桩等情况，遇 到较大的孤石时，桩端无法穿过孤石进入稳定的持力层。3）天然地基独立基础，工期快，造价低，且不受土层中孤石影响，故本工 程选用天然地基独立基础。由于场地高差起伏较大，若对低于地下室底板部分采 用回填压实地基法，则会造成同一建筑物一半基础落在原状土上，一半基础落在 回填土上，在建筑物自重作用下容易产生不均匀沉降，从而导致建筑物开裂甚至 破坏。本工程独立基础采用了逐级放坡的形式，该基础形式合理利用了该山地的 地
4、形，保证了所有基础都可以作用在原状土上，并且减少了土方的回填压实量。三、结构主体计算分析（一）结构类型对比本工程可选择的结构体系：钢筋混凝土框架剪力墙结构，钢筋混凝土框架结 构。1）钢筋混凝土框架剪力墙结构。优点：结构抗侧移刚度大，抗扭刚度大， 位移角和位移比小。缺点：由于结构整体刚度的增加，导致地震作用下地震剪力 增加，地震剪力按照刚度分配，剪力墙刚度远远大于框架柱刚度，所以剪力墙吸 收了大部分的地震力，计算所需剪力墙约 600mm 厚，且配筋率大。2）钢筋混凝土框架结构。优点：结构布置灵活，对建筑空间布置影响小， 结构整体刚度小，所受地震力小。缺点：结构抗扭刚度弱，位移比大。本工程经过两种
5、结构体系的建模分析、对比，选择了钢筋混凝土框架结构， 主要原因是造价低，对建筑空间布置影响小。由于结构长度较长，计算结果显示 框架结构周期比及位移比较大，不满足规范要求，为了解决这个问题，本工程采 用了加大两边框架柱及框架梁的方法，提高了结构的抗扭刚度，边柱为直径 1.2 米的圆柱，中柱为为直径 1 米的圆柱和边长 0.8 米的方柱，计算结果显示加大柱 截面后的结构周期比为 0.9，最大位移比为 1.44，满足规范要求。二）大跨度屋面设计报告厅屋面 33x43 米，体育场屋面 60x64 米，屋面覆土 1 米，附加恒载较大 若采用钢筋混凝土楼盖，则计算所需混凝土梁高很高，影响建筑净空，而且造价
6、 高，故本工程采用了钢梁-钢筋桁架楼承板屋盖，自重轻、造型美观且满足建筑 净空要求。以体育场屋面为例，说明一下钢梁-钢筋桁架楼承板屋面设计过程，体育场 屋面X向60m, Y向64m （两跨，一跨约35m, 跨约29m），结构布置如图3.1 所示。JiT图 3.1 大跨屋面钢结构布置图为了减小钢梁截面，本设计选择Y向布置连续两跨的钢框梁，X向布置钢次 梁，钢梁和混凝土梁柱均为铰接，为了节约钢材及减小结构自重，Y向钢梁选择 了变截面钢箱梁，钢箱梁采用了变高度和变翼缘厚度相结合的方法，中间支座受 力最大，两端支座受力最小，故中间支座钢梁截面最大，截面尺寸为 2500x1200x40x80,往两边依次
7、减小截面，分别为2500x1200x40x60, 2500x1200x40x40，22002500x1200x40x40。计算结果显示，钢梁支座最大应力比0.85，跨中最大应力比0.75，均满足 规范要求，计算挠度为53mm，满足规范要求L/400。在中间支座处，钢梁下翼缘 受压，且钢梁下翼缘没有平面外支撑，故在中间支座处钢梁下翼缘设置了隅撑， 防止支座处钢梁下翼缘受压发生平面外失稳。由于大跨钢结构屋面和旁边的钢筋混凝土屋面在竖向荷载的作用下，在支座 出会产生比较大的不平衡弯矩，为了防止柱两端梁的不平衡弯矩二次分配，将弯 矩分配给混凝土柱（柱层高12米），导致柱受力过大，故在柱顶设置牛腿，将
8、钢梁通过橡胶支座和混凝土柱铰接相连，为了防止钢框梁端部转角过大，将混凝 土楼板拉裂，在钢梁屋盖和混凝土屋盖之间设置了变形缝。由于钢框梁自重过大，一次吊装难度大，故将钢框梁分解成多段，先在钢结 构加工厂制作好，然后在施工现场分段吊装，钢梁下面用钢胎架支撑，工人再将 分解的多段钢梁焊接在一起，考虑到现场焊接，焊缝质量难于保证，若是采用垂 直焊缝，会影响钢梁的抗剪承载能力，故两段钢梁均采用Z字型切口，然后现场 焊接，这样在同一个抗剪截面上，可以保证有一半腹板不是焊接连接的。钢次梁最大跨度约12米，覆土厚度1米，次梁间距为3.6m，若采用压型钢 板组合楼盖，根据钢结构厂家提供过来的资料，压型钢板最大无
9、支撑长度约为 3.0米，且所需板厚较厚，若要减小板厚，压型钢板下面必须增加支撑，由于层 高为12米，该支撑为高支模，属于危险性较大分项工程，故本工程采用了钢筋 桁架楼承板，所需混凝土板厚仅为180mm，大大减少了混凝土楼板厚度。次梁端 部计算剪力设计值约为800kN，钢次梁和混凝土梁的连接若采用普通的预埋件连 接，则锚入混凝土梁所需预埋钢筋直径非常大，且列数多，节点锚固很难保证， 存在安全隐患，本项目采用了L形混凝土梁，然后将钢次梁端部放在L形混凝土 梁上，该节点将预埋件的抗剪转化成了混凝土梁的受压，合理利用了混凝土的抗 压性能，节点的安全性能大大提高。（三）超长结构设计分析结构长度170米，
10、属于超长结构，为了防止温度应力作用下结构产生温度裂 缝，该结构每隔约45米设置一条后浇带，可以防止施工过程中由于温度变化产 生的温度裂缝。并对结构进行温度应力分析，在降温15度的情况下，混凝土楼 盖产生的最大拉应力为0.8N/mm2，屋面采用C30混凝土，混凝土抗拉强度设计值 为1.43 N/mm2，故屋面混凝土在温度应力作用下不会破坏开裂。结束语：城市土地资源越来越稀缺，合理的利用有限的土地资源为学校建造多功能体 育馆，为学生的德智体全面发展创造机会，是当下建筑结构设计师义不容辞的责 任与义务，丰富的建筑空间设计，需要合理的结构作为支撑。参考文献：1 GB 50010-2010混凝土结构设计规范M.中国建筑工业出版社，2015.2 GB 50011-2010建筑抗震设计规范 M. 中国建筑工业出版社, 2016.3 GB 50017-2017,钢结构设计标准S.中国建筑工业出版社，2017.
某学校多功能体育馆结构设计介绍
