天长市全民健身中心体育馆
刘毛方&，万金玉2，孟磊-
（1安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽合肥230001； 2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009）
W 擀髀啓峯羽山作者简介：
刘毛方（1983-），男，河南洛阳人，毕业于浙江
大学结构工程专业，硕士，高级工程师，一级
注册结构工程师。专业：结构工程。
摘要：文章以天长市全民健身中心体育馆项目为研究背景，对项目中的大跨度楼盖进
行了方案选型、计算分析和支座、节P设计，分析了不同支座约束状况下钢桁架的支座 反力，给出了减少支座反力的措施。针对本项目中特殊的牛腿节P，采用了通用有限元 软件ABAQUS进行了应力分析，结果表明节P设计安全可靠。
关键词：组楼盖；位移释放；抗震支座；牛腿
中图分类号汀U323.4文献标识码:A
文章编号：1007-7359(2021)03-0062-03
DOI：10.ki,1007-7359.2021.03.029
平面布置图及典型剖面图见图2o
每侧楼盖均设置了十二个牛腿支
座，又根据牛腿所在柱的形状及尺寸将
牛腿柱分为五类。其中KZ1KZ2为矩形
柱，边长均为15m。KZ3、KZ4为空间倾
斜圆柱，直径1.0m；KZ5为圆形，直径!工程概况
天长市全民健身中心项目包含体育
场、体育健身综合馆、配套商业以及室外
市民健身运动场地。体育馆总建筑面积
37926m2，内设4295座乙级标准体育馆
及其训练馆，一个8泳道50m x21m尺
寸标准游泳池和一个戏水池。地下一层,
地上局部二层，屋盖完成面最咼点28m。
屋盖整体成钻石切割状，建筑效果图见
图1。体育健身综合馆是2022年安徽省
第15届全运会的比赛场馆之一。
图1天长市全民健身中心体育馆
体育馆主体结构采用钢筋混凝土框
架结构，屋盖和幕墙骨架采用钢结构。屋
盖平面成圆形，直径约16.0m，采用四
角锥与三角锥结合的网架结构，厚度约
3.5m。网架支座位于框架内圈82.2m x
63.2m的矩形柱网环梁和外圈圆形斜柱
顶。幕墙骨架采用矩形管单层壳结构，上
部与网架的焊接球节点滑动连接，下部
支座位于二层大平台的框架梁上。钢结
构支座由于受力需要采用了橡胶支座和
成品抗震支座。其中训练馆（北）和游泳池
（南）上方642m x27.2m的大跨度楼盖。
（b）剖面图
图2
大跨度楼盖结构平面布置图及剖面图
不同支座约束状况的支座反力对比
表1
注：Y 向为沿桁架平面内，正向为指向跨中方向，X 向为垂直桁架平面外，按右手坐标系确定。
支座约束状况
约束情况描述
支座反力Ry 支座反力Rz
支座反力Rx
对应的荷载组合工况
状况1两端线位移约束6154.7kN 1872.4kN 5.7kN 1.3 恒+1.5 x 0.7 活+1.5 降温
状况2
两端弹性线位移约束3290.2kN 1872.4kN 5.7kN 1.3 恒+1.5x0.7 活+1.5 降温
状况3施工期间释放一端平面内线位移
2134kN 1872.4kN
5.7kN
1.3 恒+1.5x07 活+1.5 降温
25m，由两侧向中间合拢在柱顶合为叉
形：与x 轴夹角达635。。由于圆柱柱顶
焊接卡盘
为屋顶大跨度屋盖的支座，考虑受力复 杂且为关键构件，圆柱内均增设型钢。牛
腿的具体布置详见图2o 2结构计算分析2.1结构的选型
大跨度楼盖常用的结构方案有型钢
梁、预应力梁、钢梁组合楼盖、钢桁架组
合楼盖以及钢网架组合楼盖等⑶⑶。本工
程大跨度楼盖由于跨度大、荷载重，经过
方案对比并综合考虑跨度、荷载和舒适
度等因素最终选用钢桁架组合楼盖，乍
为楼面结构体系。桁架上、下弦及腹杆均 采用热轧宽翼缘H 型钢（Q355B ）。但由
手动皂液器于A 轴交5轴、7〜8轴、、0轴均为空间 斜柱且倾角较大，采用常规的等高度平
行弦桁架会使得桁架下弦与柱子错位无
法连接，考虑单榀桁架为类似简支梁受
力，最终确定采用端部直接收头的变高
度桁架。桁架计算高度2.7m 。单榀桁架
计算简图见图3。桁架支座放于成品抗
震球铰支座上，抗震支座通过预埋板与 混凝土柱牛腿连接。这样钢桁架端部可
自由转动，可准确模拟结构支座的实际 约束情况，同时成品抗震支座既可以承
受竖向荷载，也具有抗水平力的性能，呆
证地震时不脱落。也大大增加了结构的
安全性。楼面采用压型钢板组合楼盖，可
避免高、大空间高支模，有效缩短施工工 期，大幅降低施工措施费。
图3桁架平面计算简图
2.2模型参数
2.25恒活荷载
三层楼面使用功能为大众健身房和 活动场地，部分设备房间的围护墙（蒸压
加气混凝土砌块）直接砌筑在楼板上，设
计时将此部分墙体线荷载折算为楼面附
加活载考虑。无隔墙区楼面恒载为 3kN/m 2，有隔墙区楼面恒载为4kN/m 2。 楼面活荷载为4kN/m 2。
2.2.2地震作用
本工程的设计地震分组为第二组， 抗震设防类别为II 类，场地特征周期
滋=0.40s，根据《建筑抗震设计规范》
（GB50011-2010）天长地区抗震设防烈 度为7度050g，建筑抗震设防类别为标
准设防类（座位数4295），考虑体育馆可
能人流密集，根据《安徽省抗震减灾条 例》（012修订）的规定，设计时地震烈度 提高一档取为7度05 5g 。抗震等级按照
大跨度结构取为二级。支撑桁架的混凝
土柱性能化设计，按中震弹性计算结果 配筋。单独计算钢结构时阻尼比!二
0.32，下部混凝土结构与上部钢结构整
体计算时！二0535。计算同时考虑水平
和竖向地震作用，竖向地震反应谱影响
系数取为水平地震反应谱影响系数的
65%o
255温度作用
根 据 《 建 筑 结 构 荷 载 规 范》
（GB50009-2012）天长地区的基本气温
为-6C （最低月平均气温）；36°C （最高月
平均气温）。由于钢结构对气温变化较为
敏感，对基本气温给予修正提高至 -10C （最低）;40°C （最高）：暂定合拢温度 为：10±5 °C，故设计温度荷载取值为
+30°C （温升）；—25°C （温降）。
2.3内力分析
利用北京盈建科软件公司的YJK 系
列软件建立了混凝土和钢结构整体模
型，钢桁架在空间结构里建模完成。桁架 端部与混凝土柱采用铰接，压型钢板用 蒙皮模拟导荷，楼板采用弹性楼板假定, 柱计算考虑P-△效应。
计算结果显示桁架上下弦最大应力
比约为0.2，构件的长细比和宽厚比均满
足规范要求。桁架跨中标准组合下最大
挠度为30mm，仅为跨度的1/800，满足 规范要求。同时针对本项目复杂性采用
MIDAS 软件进行了结构整体计算复核， MIDAS 计算结果与YJK 软件计算结果
偏差在5%以内，体现出桁架截面选取
合理。由于整体软件建模时未能考虑支 座的实际尺寸，无法准备确得出桁架的 支座反力，因此本工程采用了 3D3S 软
件建立了一榀平面钢桁架模型进行复
核。由于钢桁架两端支座与混凝土柱耦
合了线位移，故支座约束的准确模拟将
是结构复核的关键控制因素。本文分析
了3种不同的支座约束状况，并对比了
支座反力。状况1为桁架两端线位移全
约束。状况 2为桁架两端考虑柱子实际
线刚度的弹性约束。柱弹性刚度通过在
YJK 空间模型里牛腿高度处施加桁架平
面内的单位水平力，再根据对应节点处
的线位移反算得到。状况3为施工期间
先释放桁架一端支座的平面内线位移约
束，待楼盖上部全部恒载作用完毕后再
约束。由于恒载下支座反力已有效释放。 该工况下桁架支座的平面内实际反力近 似等于桁架上部荷载仅有活荷载作用下
的支座反力。最不利工况下不同支座约 束状况的支座反力对比，羊见表1。
从表1中结果对比可以看出，考虑 柱的弹性刚度后，桁架支座反力可降
低46% ，旦是数值仍很大，支座设计存
在巨大困难。在考虑施工期间的释放后,
桁架平面内的支座反力可再降低
35%，由此可见采取一定的措施可有效 降低正常使用期间的支座反力。
3结构设计
3.1钢桁架及楼盖设计
楼盖采用130mm 厚的组合楼盖, 楼承板采用了压型钢板。桁架上弦间设
次梁作为压型钢板的支座，下弦间设置
的次梁作为下弦平面外的支撑，同时也
可作为楼盖下部建筑吊顶的主龙骨。桁
架上、下弦杆和腹杆均采用宽翼缘高频 焊H 型钢。由于游泳馆上空吊顶后的有
效高度需满足7m 的净空，经过与设备
专业协调，设备的管道均从桁架上下弦
杆间空隙敷设。常规的节点板螺栓连接
由于杆件角度问题占据了较大有效空
间，故决定桁架的节点采用工厂相贯节
点。桁架全跨分为2段，由工厂制作完毕
后现场吊装拼接。
3.2支座设计
本项目组合楼盖跨度大、荷载重，虽
然采用了施工期间的支座反力释放，但 在最不利荷载工况下，桁架的支座反力
「；絹:«軀邨；：
旺忸1IF 滋告擾堰頷
徵
«擀帶逐峯囲凶冋田RY仍有2134kN。将给预埋板和牛腿设
计带来困难。故为有效抵抗沿桁架平面
内的水平力，在柱子侧面设置预埋板，通
过节点板与桁架连接。最不利工况下桁
架的水平力，一部分通过小立柱传给抗
震支座的预埋板，另一部分由侧面节点
板的螺栓直接传给柱子。侧面节点板设
置的7个M20的A级螺栓可承担约
700kN的水平力，其余1500kN由牛腿
承担，牛腿配筋按此水平力复核。同时对
应柱子高度处施加水平力复核柱配筋。
牛腿支座详见图4。钢桁架支座放置在
牛腿上，为准确模拟支座的约束情况，实
现支座端部的自由转动，本项目采用了
成品抗震球铰支座，详见图5o
图4典型支座
D1
图5抗震球较支座大样
3.3复杂牛腿节点设计
混凝土牛腿受力复杂，且由于KZ3~
KZ5均为X、Y两方向均倾斜的空间斜
柱，详见图6。为便于牛腿与混凝土柱连
接，牛腿也沿柱子倾斜方向放置，但牛腿
顶部切成水平面放置抗震支座，故本项
目牛腿为空间异型构件，《混凝土结构设
计规范》提供的牛腿公式无法准确适用
本项目。为确保结构安全，在公式计算配
筋的基础上采用通用有限元软件
ABAQUS建立了三维实体模型复核。有
图6牛腿布置
牛腿荷载表2
编号KZ1牛腿KZ2牛腿KZ3牛腿KZ4牛腿KZ5牛腿
X(kN) 4.2 4.2 4.8 4.4-124.7
Y(kN)-1544.51461.51181.61197.11469.8
Z(kN)-2100.3-2100.3-1723.7-1689.4-2062.1
(1)KZ3混凝土等效塑性应变图(2)KZ3钢筋应力云图
图8部分牛腿的PEEQ云图与S.Mises云图
限元法的优点是可以从三维角度深入地
分析构件的受力机理，且计算较为精确［。
混凝土采用弥散开裂模型。弥散开
裂模型对于混凝土裂面行为的模拟较为
准确，适用于分析混凝土开裂后应力-
应变空间不断变化的受力情况⑷。钢材和
钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，
且不考虑屈服后的强度硬化。牛腿柱和阿比丹 艾山
自制化妆水牛腿均采用C40混凝土，钢筋采用
HRB400，柱内型钢采用Q355B钢材。混
凝土及十字型钢均采用C3D20R六面体
单元，钢筋采用T3D2桁架单元。型钢表
面设有栓钉，能够在很大程度上保证混
凝土和型钢之间的共同工作，二者之间
采用Tin约束。由于钢筋和混凝土之间
的滑移较小，故采用Embed约束⑸。模型
中牛腿柱的下端采用固定约束，上端仅
约束水平向位移和z轴转动。网格划分
如图7所示。
(a)KZl(b)KZ2(c)KZ3(d)KZ4(e)KZ5
图7牛腿网格
牛腿上的内力由3D3S导出，最不
利荷载工况为12恒载+12x02活载
+15降温。各种类型牛腿的内力详见表
2。
分析结果的应力云图可以看出牛腿
应力最大处出现在牛腿柱的弯起钢筋和
柱子纵向钢筋上，钢筋最大应力为
264MPa，均未屈服；混凝土最大等效塑
性应变为6.27x10-4。表明节点具有良
好的延性，节点设计安全可靠。部分牛腿
的PEEQ云图与S.Mises云图见图8。
4结论
①钢桁架组合楼盖适用于跨度大,
荷载重的大跨度楼盖。本项目经对比并
综合考虑跨度、荷载和舒适度等因素，最
终选用钢桁架组合楼盖作为楼面结构体
系。
②钢桁架支座设计对温度荷载很敏
感，通过计算对比发现采取合理的施工
音乐枕头顺序可以有效地释放桁架平面内支座反
力，减少正常使用期间的支座负担。
③本项目采用的抗震型球铰支座采
用超高分子聚乙烯材料，不存在橡胶老
化问题，安全可靠。本文准确模拟支座的
约束情况，实现了支座端部的自由转动,
正交相移键控因此在大跨度结构里应推荐使用。
④针对复杂的混凝土节点，应补充
三维有限元分析。通过合理的建模，材料
之间选择适合的接触方式，并综合考虑
钢筋和混凝土材料的云图结果以确保结
构安全。
参考文献
［1赵才其，彭桂平，赵惠麟.45m跨度大空
间组合楼盖的结构分析及试验研究［•
空间结构，。。了,，⑷:15-18.
⑵宋涛炜，迟春，陈文明•镇江体育会展中心
综合训练馆组合网架楼盖结构设计［•
建筑结构,2010,9(9):58-61
［3］陈兰响，关萍，刘晴晴•基于ABAQUS分
析型钢-圆钢管混凝土的力学性能［•
水利与建筑工程学报,2015,13(02):
15-19.
⑷聂建国，王宇航2BAQUS中混凝土本构
模型用于模拟结构静力行为的比较研究
［JJ工程力学,2013,30(04):59-67+82.
⑸漆俊，邹祖军•基于ABAQUS的型钢混凝
土复杂节点分析JJ佳木斯大学学报(自
然科学版),2016,34(03):
347-349.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议