第45卷第15期2015年8月上建筑結(jié)構(gòu)BuildingStructureVol．45No．15Aug．2015

浙江音樂(lè)學(xué)院體育館空間折板桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐凌峰，謝道清

（浙江綠城六和建筑設(shè)計(jì)有限公司，杭州310013）

［摘要］浙江音樂(lè)學(xué)院體育館下部采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，上部鋼結(jié)構(gòu)按建筑功能和校區(qū)整體風(fēng)格采用空間折板桁架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)屋面和兩側(cè)墻面均為空間折板桁架，兩側(cè)墻面的桁架內(nèi)側(cè)豎桿有效地埋入下部混凝“手風(fēng)琴”土墻柱中，呈沿東西方向的造型。為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用上下部結(jié)構(gòu)整體模型，對(duì)空間折板桁動(dòng)力、特征值屈曲及非線性屈曲分析，并研究了墻面空間折板桁架與屋面空間折板桁架的協(xié)調(diào)工作架進(jìn)行了靜力、

性能。結(jié)果表明，空間折板桁架結(jié)構(gòu)的工作性能雖不是很優(yōu)越，但考慮到屋面空間折板桁架與墻面空間折板桁架的協(xié)同工作，此類(lèi)結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。

［關(guān)鍵詞］空間折板桁架；特征值屈曲分析；非線性屈曲分析中圖分類(lèi)號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

848X（2015）15-0041-05文章編號(hào)：1002-

StructuraldesignofspatialfoldedplatetrussofZhejiangConservatoryofMusicgymnasium

XuLingfeng，XieDaoqing

（ZhejiangGreentownLiuheArchitectureDesignCo．，Ltd．，Hangzhou310013，China）

Abstract：Theconcreteframe-shearwallstructureisappliedassubstructureinZhejiangConservatoryofMusicgymnasium，whilethespatialfoldedplatetrussstructureisusedasthesteelsuperstructureconsideringthearchitecturalfunctionandcampusoverallstyle．Inthisstructure，theroofandbothsidesofthewallareconstructedofthespatialfoldedplatetrusses，theverticalbarsintheinnersidesofthewallareburiedeffectivelyintheconcretewallsorcolumnsofthesubstructure，justasanaccordionfloatingintheairfromeasttowest．Inordertoguaranteetheaccuracyofanalyticalresults，basedonthewholemodelwiththesubstructureandsuperstructure，thestatic，dynamic，characteristicvaluebucklingandnon-linearbucklingpropertiesofthespatialfoldedplatetrusswereanalyzed．Besides，thecoordinatedperformancebetweenthespatialfoldedplatetrussoftheroofandthewallwasalsoanalyzed．Theresultsshowthatthespatialfoldedplatetrussstructureperformsnotverywell，butinconsiderationofthecoordinatedperformancebetweenthespatialfoldedplateoftheroofandthewall，thiskindofspatialfoldedplatestructurecanalsoprovidegoodstabilityperformance．

Keywords：spatialfoldedplatetruss；characteristicvaluebucklinganalysis；nonlinearbucklinganalysis

1工程概況

浙江音樂(lè)學(xué)院體育館位于杭州市之江旅游度假

區(qū)，該館為浙江音樂(lè)學(xué)院的體育教學(xué)及運(yùn)動(dòng)比賽場(chǎng)

西兩區(qū)塊，東區(qū)為羽毛球運(yùn)動(dòng)地。建筑設(shè)計(jì)分東、

場(chǎng)，西區(qū)按小型籃球場(chǎng)設(shè)計(jì)，建筑效果圖、結(jié)構(gòu)剖面2。建筑東西長(zhǎng)約圖及典型平面布置圖分別見(jiàn)圖1，

2

108m，南北長(zhǎng)約76m，總建筑面積約為7344m。結(jié)

2層局部屋面為人員疏散平臺(tái)，構(gòu)地上兩層，通過(guò)室外樓梯疏散到室外地坪�；@球場(chǎng)看臺(tái)席位約2000個(gè)，看臺(tái)頂標(biāo)高8.200m。看臺(tái)及附屬功能用房采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。上部鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑功能和校區(qū)整體風(fēng)格設(shè)計(jì)成空間折板桁架，建筑上形成沿東西方向的“手風(fēng)琴”造型，與周邊的操操場(chǎng)大看臺(tái)遙相呼應(yīng)。屋面鋼結(jié)構(gòu)高度呈中間場(chǎng)、高、兩端低的形態(tài)，其中屋脊位置最高點(diǎn)處標(biāo)高約為23.200m，最低點(diǎn)約為18.950m；屋面水平最大跨度約為47.2m

。

2

圖1浙江音樂(lè)學(xué)院體育館建筑效果圖

結(jié)構(gòu)形式

普通的折板結(jié)構(gòu)是由平面或曲面薄板在空間以

［1］

一定的角度相交連成折線形的空間結(jié)構(gòu)。該類(lèi)結(jié)構(gòu)適用于規(guī)則的長(zhǎng)條形屋面，折板的兩端直接落地或擱置在周邊的圈梁上。此類(lèi)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初期基本采用鋼筋混凝土薄板，跨度也極其有限。一些學(xué)者

Email：作者簡(jiǎn)介：徐凌峰，碩士，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，XLFUN@126．com。

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建筑結(jié)構(gòu)2015

年

圖3

結(jié)構(gòu)整體三維模型

圖2

浙江音樂(lè)學(xué)院體育館結(jié)構(gòu)剖面圖與典型平面布置圖

［2］

圖4屋面鋼結(jié)構(gòu)三維模型

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)折板網(wǎng)殼開(kāi)展了靜力及動(dòng)力特性研究

但在具體工程的應(yīng)用并不常見(jiàn)。

，

錨固到下部混凝土結(jié)構(gòu)中，墻面折板布置具體做法見(jiàn)圖5。對(duì)沒(méi)有側(cè)向支撐桿的豎向立柱柱段，混凝土柱頂至立柱與墻面斜撐桿交接處采用外包混凝土柱墩，保證墻面空間折板桁架的側(cè)向剛度和抗彎能力的連續(xù)性。在鋼立柱和屋面下弦桿相交處，因桿件較多導(dǎo)致應(yīng)力集中，本工程采用直徑500mm的焊接球作為連接節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)因屋面和墻面空間折板桁架缺失橫向水平系桿，上下弦桿與鋼立柱的構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)無(wú)法確定。因而結(jié)構(gòu)只有通過(guò)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析才能確定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

。

該工程在方案階段，建筑師希望采用現(xiàn)澆混凝

使屋面內(nèi)外形狀完全一致。根據(jù)對(duì)V形折土屋面，

板混凝土屋面的估算，發(fā)現(xiàn)因折板的自身穩(wěn)定要求，

跨度近47m的混凝土屋面V形折板板厚過(guò)大，極大地增加了下部墻柱及基礎(chǔ)的造價(jià)。對(duì)屋面進(jìn)行優(yōu)化

采用折板桁架屋面和混凝土墻柱，但因屋面折板后，

計(jì)算發(fā)現(xiàn)屋面的上下桁架缺少橫向上下水平系桿，

弦桿因在平面內(nèi)外無(wú)可靠的側(cè)向支撐，導(dǎo)致構(gòu)件的穩(wěn)定性較低。經(jīng)多次比較，最終采用屋面與兩側(cè)墻面均為空間折板桁架的結(jié)構(gòu)形式。該類(lèi)結(jié)構(gòu)在跨度40～55m范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較好，但跨度超過(guò)65m后穩(wěn)定性急劇下降。

結(jié)構(gòu)整體三維模型與屋面鋼結(jié)構(gòu)三維模型分別4。其中屋面空間折板桁架的屋脊與相鄰的見(jiàn)圖3，

天溝高差約為3m，屋脊與相鄰的屋脊、天溝與相鄰

的天溝水平間距均為3.6m；墻面折板桁架的脊線和而墻面外凸的V形折板谷線在屋面保持間隔布置，

桁架與豎向立柱的水平間距約為1.5m。

結(jié)構(gòu)山墻及羽毛球場(chǎng)與籃球場(chǎng)分界位置的框架柱均伸至屋面下弦桿處，且在兩個(gè)場(chǎng)館的六個(gè)角部設(shè)置剪力墻，作為屋面鋼結(jié)構(gòu)的主抗側(cè)力體系。在墻面的豎向鋼立柱頂部和墻柱頂部沿周邊通長(zhǎng)設(shè)置水平系桿，加強(qiáng)立柱的側(cè)向穩(wěn)定；框架墻柱沒(méi)有伸至由豎向立柱與其他輔助桿件通過(guò)斜撐屋頂?shù)奈恢茫?/p>

桿形成的墻面折板結(jié)構(gòu)作為豎向傳力主構(gòu)件，有效

圖5鋼結(jié)構(gòu)墻面折板布置圖

3結(jié)構(gòu)分析

3.1計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算分析及鋼結(jié)構(gòu)的后續(xù)設(shè)計(jì)采

用MIDAS/Gen軟件，并配合SAP2000軟件輔助分析校核；下部混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用PKPM系列的SATWE軟件計(jì)算。主要考慮如下荷載與作用：

第45卷第15期徐凌峰，等．浙江音樂(lè)學(xué)院體育館空間折板桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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（1）屋面采用鋁鎂錳金屬板作為屋面圍護(hù)材

料，考慮到屋面保溫、防水及吸音做法，屋面恒荷載

2

按1.0kN/m取值（非投影面），局部吊頂及馬道荷載按建筑區(qū)域進(jìn)行布置。四周的墻面也是鋁鎂錳金2

屬板，墻面恒荷載按0.6kN/m取值（非投影面），程序自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自身重量。

場(chǎng)館分界墻位置處的豎向荷載直接傳遞至混凝土墻柱，靜力荷載作用下屋面最大豎向位移見(jiàn)圖6。由圖6可知，結(jié)構(gòu)跨度最大的一榀桁架的豎向位移最大，約為64mm，撓跨比為1/737，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（GB50017—2003）［5］中撓跨比小于1/400的規(guī)范》

要求。屋面空間折板桁架在各標(biāo)準(zhǔn)工況下的最大豎向位移見(jiàn)表2。

屋面空間折板桁架最大豎向位移

位置屋面空間

折板桁架跨中

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合恒+活（雪）恒+溫（升）恒+溫（降）恒+雪+溫（降）恒+活+溫（升）

L=47．2m。注：L為跨度，

最大豎向位移Δmax/mm

－61－43－56－64－58

（2）屋面施工活荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB

50009—2012）［3］（簡(jiǎn)稱荷載規(guī)范）取0.5kN/m2。（3）杭州地區(qū)的基本雪壓為0.45kN/m2，由于該鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)構(gòu)為多跨雙坡屋面，參考荷載規(guī)范表7.2.1中第7項(xiàng)可知，積雪分布系數(shù)分均布和非均布兩種：均布的積雪分布系數(shù)為1.0；非均布的積兩端斜坡為0，故雪分布系數(shù)中間各坡系數(shù)為1.4，

雪荷載能包絡(luò)活荷載。

（4）基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，參考荷載規(guī)范表8.3.1中第8項(xiàng)封閉式雙跨雙坡屋面取風(fēng)荷載值。（5）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）［4］（簡(jiǎn)稱抗規(guī)），建筑抗震設(shè)防等級(jí)分類(lèi)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.35s。（6）由于建筑是露天鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度作用敏感，故設(shè)計(jì)中考慮溫度作用。設(shè)計(jì)合攏溫度為15℃，上部鋼結(jié)構(gòu)的溫差取為25℃，下部混凝土結(jié)構(gòu)的溫差取為20℃。

（7）下部混凝土結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，上部鋼結(jié)構(gòu)材料為Q345鋼。動(dòng)力計(jì)算時(shí)，考慮組合模型中混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相互作用，阻尼比取0.03；上部鋼結(jié)構(gòu)空間折板桁架的主要桿件截面見(jiàn)表1。因上下弦桿軸力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確注明跨中軸力較大的位置，并應(yīng)保證桿件的完整性，不得拼接。

3.2結(jié)構(gòu)靜力分析

在上述各類(lèi)靜力荷載作用下，按照荷載規(guī)范進(jìn)行荷載組合，屋面鋼結(jié)構(gòu)的位移變形與內(nèi)力分布有如下規(guī)律：屋面空間折板桁架為橫向單向傳力模式，各榀單獨(dú)變形，相互間基本無(wú)影響。結(jié)構(gòu)僅山墻與

主要桿件截面

桿件位置

桿件名稱上弦桿下弦桿

屋面

斜撐桿柱頂通長(zhǎng)系桿下弦水平系桿豎向立柱

墻面

豎向輔助桿斜撐桿

規(guī)格

��245×16��245×16��140×6，��140×4

��140×4

��89×4��351×18��219×12��114×4

表2

Δmax/L1/7731/10981/8431/7371/814

圖6靜力荷載作用下屋面最大豎向位移/mm

由于屋面為單榀單向變形，屋面空間折板桁架的內(nèi)力也呈相似分布。因此，只需考慮最大跨桁架的應(yīng)力就能保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；在靜力荷載作用下，墻面空間折板桁架僅起圍護(hù)作用和簡(jiǎn)單傳遞部分豎向荷載，內(nèi)力不大。表3為屋面空間折板桁架在各基本工況下的應(yīng)力水平。