濟南奧林匹克體育中心網球館下部采用混凝土框架剪力墻結構, 上部鋼結構按建筑功能的不同采用不同的結構形式, 包括管桁架結構、工字鋼梁結構、中心賽場懸挑空間折板罩棚結構、空間折板墻體結構. 對鋼結構進行靜力、動力、屈曲分析和節(jié)點有限元分析, 采取措施增強折板結構的平面外剛度, 并通過總裝分析研究下部混凝土結構對上部鋼結構的影響. 經分析, 受下部混凝土結構界面彈性支承的影響,上部鋼結構在溫度、地震作用下受力與單體時相比均有差別, 且在連接界面處的桿件受力不均。

　　濟南奧林匹克體育中心位于濟南市區(qū)東部，2009年第十一屆全國運動會將在這里舉行. 建筑設計分為東西兩區(qū), 西區(qū)布置體育場及訓練場, 東區(qū)布置體育館、游泳館以及網球中心等, 見圖1. 其中網球中心賽場形近似一"逗號”， 南北長約171m, 東西寬約223m, 占地面積20600m2 , 建筑面積31400m 2,地下一層, 地上四層. 看臺規(guī)模約4000 座, 頂部標高14m, 看臺及功能用房采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構。上部鋼結構根據不同的建筑分區(qū)以及結構經濟合理性分別采用不同的結構形式, 其中室內網球館采用管桁架結構, 中庭屋蓋采用工字鋼梁結構, 中心賽場罩棚采用懸挑空間折板結構, 墻面采用空間折板結構, 建筑上形成柳葉造型, 和其他兩館一場相呼應. 墻體屋蓋鋼結構由南向北減低, 最高點標高31.3m, 最低點21.3m , 最大跨度38.5m, 中心賽場鋼罩棚懸挑14m。

　　1.結構形式

　　鋼結構不同結構形式的布置見圖2 和圖3, 其中中心賽場罩棚折板高度端部1.4m, 根部2m, 向場內懸挑14m, 根部支承桁架谷深2m , 與懸臂結構自然銜接, 見圖4. 外墻面折板結構谷深3m, 與幕墻鋼柱結合形成菱形組合柱, 改善了折板結構的平面外穩(wěn)定性, 見圖5. 室內網球館管桁架結構以中庭的混凝土柱作為支座, 桁架跨度38.5m,高2.5m, 桁架間最大間距約9.3m, 桁架間上下弦均布置水平系桿,系桿間距7.5m , 端部加設水平交叉支撐以增強屋蓋整體性. 中庭屋面跨度18.5m ~ 28m, 采用工字鋼梁, 跨度較大處采用變截面工字鋼梁。

　　鋼結構支座分別支承于下部混凝土結構框架柱、框架梁、基礎或型鋼混凝土柱。

　　2.鋼結構單體分析

　　整體分析及鋼結構設計采用SAP2000 有限元分析軟件, 混凝土結構設計采用ET ABS 有限元分析軟件. 設計主要考慮如下荷載。

　　屋面靜荷載金屬屋面0.6kN/ m2 ( 考慮保溫以及防水做法) , 局部吊頂荷載0.5 kN/ m2, 懸掛荷載根據相關專業(yè)提供的設備重量、平面布置及馬道的平面布置按實際情況輸入. 墻面靜荷載金屬墻面0.3kN/ m 2. 結構構件自重由程序自動計算確定。

　　屋面活荷載0.5 kN/ m2.

　　基本雪壓0.35 kN/m2, 對于罩棚折板屋面, 考慮積雪分布系數(shù)u, 如圖6。平屋面雪荷載小于活荷載, 按活荷載取用。

　　風荷載按規(guī)范及風洞試驗報告雙控取值, 風洞試驗報告由同濟大學土木工程防災國家重點實驗室提供。

　　建筑抗震設防分類為丙類, 抗震設防烈度6度,場地土類別為I類. 根據擬建場地安評報告, 地震作用按以下取值: 50年超越概率63%時, 地面水平地震峰值加速度為17gal, 地震影響系數(shù)最大值為0.041, 場地特征周期0.37s; 50年超越概率3%時,地面水平地震峰值加速度為 86g al, 地震影響系數(shù)最大值為0.219, 場地特征周期0.61s。

　　設計合攏溫度取為15℃ , 墻體升溫+25℃ , 降溫- 25℃ , 其它部分升溫+ 20℃ , 降溫- 20℃. 溫度組合值系數(shù)取為0.6。

　　結構設計控制指標屋面跨中撓度≤ L/400(L為跨度) , 罩棚前端撓度≤L/150(L為罩棚懸挑長度) , 罩棚豎向自振頻率≥1.0H z, 桿件最大組合設計應力≤0.9f (f為鋼材設計強度) , 桿件長細比≤150, 結構整體穩(wěn)定及受壓構件局部穩(wěn)定線彈性屈曲荷載系數(shù)K≥10。

　　鋼結構主要桿件截面如表1所示

　　2.1靜力分析結果

　　結構靜力作用下結構位移及桿件應力水平如表2及圖7。

　　2.2 模態(tài)分析結果

　　結構第一階振型為尾部山墻的平動，第2 階振型為室內網球館鋼結構折板墻面平面外方向的振動, 結構扭轉(見圖 8) , TT / T1=0.507/0.551=0.92>0.90，總裝分析,TT/T1<0.9。

　　2.3 屈曲分析結果以及桿件計算長度系數(shù)的選取

　　屈曲分析有助于發(fā)現(xiàn)屈曲對結構尤其是構件的影響。采用特征值屈曲分析得到各屈曲模態(tài)的荷載系數(shù)以及對應的屈曲形態(tài). 圖9顯示SAP2000 線性屈曲分析結果,考慮初始荷載組合為1.0 恒+1.0 活。

　　由線性屈曲分析結果可知, 桁架上弦管299x10最先發(fā)生受壓面外屈曲, 其臨界荷載Nr= K .N= 9.7x517=5015kN(式中N=517kN為1.0 恒+1.0 活初始荷載下桿件的軸向壓力) , 該桿件面外無支撐長度7.5m, 可得該構件計算長度系數(shù):

　　因此, 設計時取屋面受壓弦桿的計算長度系數(shù)為1.0, 折板弦桿及柱的計算長度系數(shù)也按此法確定為1.0。

　　3.總裝分析

　　本工程上部鋼結構通過連接界面支承于下部混凝土結構, 構成結構整體. 由于鋼、混凝土兩種材料本身材料特性以及上部鋼結構、下部混凝土結構布置的差異, 必然帶來整體結構在各種荷載作用下反應與單獨鋼、混凝土結構反應發(fā)生差異, 總裝分析是必須的. 對本工程而言, 其必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

　　( 1) 溫度作用下, 上部鋼結構、下部混凝土結構以各自平面內抗側力剛心為不動點收縮( 負溫) 或膨脹( 正溫) , 由于上部鋼結構與下部混凝土結構的溫度作用不動點的位置不同, 導致支承界面發(fā)生相對差異變形, 鋼結構以及鋼、混凝土連接界面構件內將產生較大局部應力, 為評估該局部應力對整體結構的影響, 總裝分析是必需的。

　　( 2) 單獨鋼結構分析中, 其混凝土結構支座按理想不動鉸或固定端處理, 實際結構中, 由于連接界面的下部混凝土梁、柱是有限剛度的, 且混凝土材料存在收縮、徐變, 為反映混凝土結構的彈性支承以及徐變、裂縫、長期剛度退化對上部鋼結構的影響, 也必須進行總裝分析。

　　( 3) 在地震作用方向上, 由于剛度、質量以及地震波輸入位置的差異, 整體結構與單體結構對地震作用的響應不同, 也必須進行總裝分析。

　　計算中, 上部鋼結構通過鋼管柱、混凝土柱墩與下部混凝土結構相連, 鋼結構與混凝土梁柱均采用剛接連續(xù)節(jié)點。阻尼比取值為0.02 及0.03，0.02用于總裝分析中上部鋼結構, 0.03用于總裝分析中下部混凝土結構。總裝分析的有限元模型見圖10。

　　3.1靜力分析結果

　　鋼結構墻面弦桿通過混凝土柱墩與混凝土轉換梁或混凝土柱相連, 如圖11所示. 由于混凝土結構本身在豎向荷載以及溫度變化下存在變形, 混凝土相連的鋼結構柱底不再是固定理想約束, 變形協(xié)調作用使得鋼結構的桿件內力分布和單體模型有所不同。圖11中由左向右排布的鋼結構桿件在恒+ 活豎向荷載作用下的桿件軸力分布見圖12。受混凝土轉換構件變形、剛度的影響, 總裝模型中鋼結構桿件在豎向荷載作用下內力分布明顯不均勻。另外總裝后鋼結構的地震響應也較單體結構時有所放大, 吸收水平力較多的桿件, 如支撐、系桿等應力水平有所提高. 故本工程在總裝分析后重新進行截面設計, 調整桿件截面使之滿足要求. 鋼結構桿件在總裝模型下應力分布情況見圖13。

　　3.2 模態(tài)分析結果

　　由于下部混凝土的有限剛度及變形, 鋼結構的第一和第二周期都較單體鋼結構有所加長, 但是振動形態(tài)基本相同(圖14)。

　　4.鋼結構節(jié)點設計

　　本工程管桁架結構以及折板結構均采用相貫節(jié)點,工字鋼梁兩端采用螺栓連接鉸接節(jié)點. 相貫節(jié)點計算分析在有限元分析軟件ANSYS中進行,采用solid45和solid92單元,所施加荷載為最不利設計荷載組合, 節(jié)點分析時對應力不足和應力水平較高的部位采取一定構造措施加強,如設加勁肋、增厚節(jié)點區(qū)主管壁厚等。典型節(jié)點分析結果如圖15。

　　由節(jié)Von-Mises主應力云圖可見,除個別點應力集中,應力水平略超過屈服強度外, 節(jié)點區(qū)域整體應力水平均在 200M Pa 以下, 可以保證結構安全。

　　5 鋼結構施工

　　現(xiàn)場施工方案為桁架分片進行地面整體拼裝,焊接主要在地面進行, 有利于確保焊接質量. 在拼裝前對所有桁架進行電腦三維放樣, 按照放樣模型制作拼裝胎架, 拼裝過程中利用全站儀對桁架節(jié)點進行坐標定位, 確保桁架精度達到設計要求。

　　6.結論

　　( 1) 折板結構的平面外剛度較弱, 為保證結構的整體性作用, 結合室內的結構柱與墻面折板結構組成菱形及三角形組合結構, 有效增強了結構的平面外剛度。

　　( 2) 由線性屈曲分析的結果確定空間結構桿件的計算長度是可行而且方便的。

　　( 3) 混凝土結構自身在外部荷載作用下的變形以及收縮、徐變造成的剛度退化會給上部鋼結構造成較大的影響, 需通過總裝分析來確定整體結構的動力特性以及受力狀態(tài)。

　　( 4) 復雜空間結構的節(jié)點是關鍵, 應通過有限元分析以及必要的結構構造措施保證節(jié)點的安全性。