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1、第八届全国现代结构工程学术研讨会 2 0 0 8 奥运会羽毛球馆上下部结构共同工作分析研究 张国军张庆亮葛家琪 ( 中国航空工业规划设计研究院。北京1 0 0 0 1 I ) 挺要；本文对2 0 0 8 奥运会羽毛球馆上部弦支穹顶、上下部整体结构两个计算模型进行结构自振特性分析、静力以及抗震等方面 的对比分析，重点研究了下部混凝士结构对上部屋盖钢结构的影响。分析结果表明，下部混凝土结构对上部弦支穹顶钢结 构受力和变形有一定影响，尤其是在温度作用及地震作用下受力和变形差别较大应进行上下部结构共同工作分析并可 据此对屋盖钢结构进行优化设计 关键词；共同王作，模态分析，静力分析。抗震分析 一、引言
2、在大跨度空间结构工程设计中，为了简化计算，常把下部的支承体系与上部的屋盖钢结构分开考虑，用固定 铰支座模拟屋盖结构的支承情况。由于下部混凝士结构刚度有限，在荷载作用下上下部结构连接，支座存在变位。 由此必然带来整体结构在各种荷载作甩下的变形受力性能与上下部结构单独分析的结果存在差异。因此；非常有 必要对两种计算方法进行对比分析，以便更加合理地模拟结构的实际受力状态。本文以2 0 0 8 奥运会羽毛球馆为 研究对象，对上述问题进行分析研究，定量分析上下部共同工作对结构设计的影响程度。 。 2 0 0 8 年奥运会羽毛球馆屋盖例形弦支穹顶结构直径9 3 m ，中心矢高9 3 m ，矢跨比为1 1
3、0 。屋盖钢结构核心 部分采用弦支穹顶结构体系，外围部分采用变截面腹板开孔H 型钢悬臂粱，沿环行呈放射状分布。通过环行空 间桁架与弦支穹顶连接。整个屋盖钢结构支撑于3 6 根混凝土柱上，并通过这些柱子混凝土结构层连为整体结构， 共同工作。结构布置如图l 所示。 二、结构计算模型 图1 羽毛球馆钢屋盖剖面图 ，一 ， 对于大跨度体育建筑及同类大跨度建筑结构，屋盖钢结构与下部看台结构从材料属性到各自刚度、动力响应、 安全控制因素等方面均有本质的区别；在结构电算精度、电算时间、地震动参数等结构计算设计方法方面，两种 结构也具有有很大的不同。因此，本文针对整体和屋盖分别建立两种模型。并通过对两种模型在
4、各种荷载作用下 的变形、内力的对比分析，科学评价两种模型响应的差异程度，为以后类似工程设计提供借鉴。 模型一：整体设计建立了屋盖钢结构与下部看台结构完整电算模型( 见图2 ) ，应用M I D A S 软件进行整体结 业鑫筑2 0 0 8 增刊1 5 3 一垆。 、 ，_ Z 。 、一：m ，、 m 。， 等 尘o， _ 。 一崎、坤 ，b， l 螂：蛳 、 ，；呼卜 ，。 ， I 一 眦 ， 一 ? 一 赋 一一 ， 忡 第八届全国现代结构工程学术研讨会 ， 表3 网壳节点最大位移对比表 竖直位移盈大值( 珊)水平佛移最大值( 锄) 荷载组合 模型一模型二模型一模型二 恒+ 活 5 0 4
5、64 8 4 71 2 6 4 1 2 3 6 恒+ 活+ 正风压1 3 2 8 6 1 2 0 42 6 6 32 4 2 3 恒+ 活+ 负风压 一4 2 3 0一3 9 5 4 r 1 4 4 81 4 7 5 恒+ 活+ 升温 1 0 2 7 1 8 9 2 5 * 一4 1 4 8 、 - 3 8 1 7 恒+ 活+ 降温2 2 8 5 1 2 0 6 5 l 5 3 0 55 0 5 0 表4 网壳支座反力对比表( I d l ) 恒+ 活恒+ 活+ 正风压恒+ 活+ 负风压恒+ 潘吁 温恒+ 活+ 降温 组合 模璀模型二模型一模型=模型一模型二模型一模型二模型一模型二 反力 竖直
6、向 6 2 6 2 17 0 5 6 56 0 6 1 47 7 4 4 l5 5 1 6 85 9 9 2 32 9 4 5 53 0 0 8 66 8 2 9 97 0 7 4 7 水平X 向 l 船4 12 3 9 7 51 3 9 3 82 1 4 3 52 0 3 4 22 3 5 0 72 3 9 2 72 7 1 6 l3 8 7 4 84 7 1 8 8 方向 水平Y 向 2 5 3 7 72 6 2 1 l2 1 5 3 23 3 7 9 22 6 9 0 42 2 6 4 22 5 8 9 13 0 3 0 25 2 3 0 16 3 7 5 8 表5 环索内力最大值对比表
7、( k N ) 环索一环索二环索兰环索网环索五 组合 模型一一模型二模型一模型二模型一模型二模型一模型模型一模型二 恒+ 活 3 1 3 5 8 43 1 7 8 7 31 4 1 0 0 71 4 1 4 8 28 6 3 8 78 6 4 5 14 3 3 7 54 3 3 7 32 i 4 9 22 i6 8 7 恒+ 活+ 正风压 2 8 2 3 1 72 8 9 0 6 91 3 6 3 9 31 3 7 5 6 48 8 5 4 58 8 4 1 94 2 4 1 34 2 4 8 72 1 1 4 62 1 4 0 4 恒+ 活+ 负风压 2 8 2 3 1 72 8 9 0 6
8、 91 3 6 3 9 31 3 7 5 6 48 2 8 3 4 8 3 4 8 9 4 2 4 1 34 2 4 8 72 1 1 4 6 2 1 4 0 4 恒+ 活+ 升温2 8 2 1 0 52 8 9 0 6 91 3 6 3 9 3 1 3 7 3 j 9 2 8 5 6 8 48 5 8 3 54 2 4 1 34 2 4 8 72 1 1 4 6 2 1 4 0 4 恒+ 活+ 降温4 4 9 4 8 74 5 6 2 3 9 2 1 4 3 9 52 1 5 5 6 61 6 6 7 2 01 6 6 9 9 07 7 2 3 17 7 3 0 5 5 9 5 0 7 5
9、9 7 6 5 表6 径向拉杆内力最大值对比表( 州) ， 径杆一径杆二径杆三径杆四径杆五 组合 模型一 模型二模型一樟璎二模型一模型二模氆一模碰二模型一模型二 恒+ 活4 8 5 5 24 9 1 4 62 0 5 2 82 0 6 1 71 1 9 5 51 1 8 O l1 3 7 0 l1 3 7 0 86 2 ，5 56 3 7 0 恒+ 活+ 正风压 4 3 6 3 54 4 5 4 71 9 8 8 22 0 0 9 31 2 4 5 71 2 1 1 91 3 4 6 51 3 5 5 06 1 4 06 2 8 9 恒+ 活+ 负风压 4 3 6 3 5“5 4 71 9 8
10、 8 22 0 0 9 31 1 4 2 6儿4 7 21 3 4 6 51 3 5 5 06 1 4 06 2 8 9 恒+ 活+ 升温 5 0 8 4 34 9 9 3 02 4 9 8 72 4 7 8 51 1 7 2 l1 1 5 9 01 3 4 6 51 3 5 6 06 6 5 86 2 B 9 恒+ 活+ 降温6 8 0 8 6 6 7 2 0 43 1 0 9 23 3 6 9 02 1 8 6 6 2 2 2 5 6 2 6 8 4 7Z 5 1 2 26 1 ，4 05 2 8 9 表7 网壳杆件最大组合应力对比表 应力最人值( M p a ) 组合 模型一模型二 恒+
11、 活 ，1 1 3 7 41 0 9 2 7 恒+ 活+ 正风压1 8 7 2 l1 7 3 6 9 恒+ 活+ 负风压 1 2 0 1 21 1 6 6 4 恒十活+ 升温 1 8 7 3 51 8 4 2 5 恒+ 活+ 降温 2 6 3 1 72 7 4 3 8 通过以上对比分析可得如下结论： l 、在不同载荷组合工况下，网壳节点最大竖向及水平位移出现在不同位置，但两个计算模型在同一工浣， 工业建筑2 0 0 8 增刊 1 5 7 第八届全国现代结构工程学术研讨会 同一载荷组合工况下，最大位移出现的位置一致。可见屋盖钢结构的变形总体规律不受是否考虑下部结构共同工 作的影响。 2 、在考虑
12、下部结构共同工作后，网壳节点最大竖向位移值增大在“恒+ 活”荷载工况下，增幅约为4 ； 在风、温度组合工况下- 增幅达到7 一1 4 ，其不利影响达到了工程不能忽略的程度。可见，考虑下部结构共同 工作对于屋盖钢结构的变形控制是偏于不安全的。对于本工程而言，考虑共同工作后，屋盖钢结构最大位移在温 度工况下达到最大。最大骚向位移为2 2 8 5 9 3 0 0 0 = - 1 1 4 0 7 ；结构安全。 网壳节点最大水平位移与竖向位移有着同样的规律，但增幅均小于1 0 。 3 、在考虑下部结构共同工作后，网壳支座竖向总反力值不变，水平向总反力值减小。具体到某个支座而言， 竖向反力、水平向反力的最
13、大值均减小。可见支座反力趋于均匀、其中竖向反力最大值在“恒+ 活”，“恒+ 负风 压”组合工况下减小约1 l ；而在“恒+ 正风压”组合工况减小幅度达到2 2 。水平反力最大值在“恒+ 正风压一 组合工况下减小幅度更是达到3 5 以上。由此可见，考虑屋盖钢结构、下部结构共同工作后，屋盖对下部结构的 静反力减幅超过z o p 2 上。考虑共同工作的整体结构分析时，屋盖对下部结构的反力减幅较大。可对下音睁结构设 计提供较大的优化设计条件。 4 、考虑共同工作后，在各种荷载组合工况下网壳杆件应力最大值略微偏大，但幅度小于8 蟛，在各种荷载 组合工况下环索最大内力值变化幅度均小于l ，径向拉杆最大拉力
14、基奉未变。这是因为下部索网结构没有直接 与支座相连，因而所受影响相对网壳较小。可见考虑下部结构共同工作，对屋盖钢结构强度设计影响可忽略不计。 5 、结构内部各部分杆件内力相差幅度远小于支座部分，基本保持在5 以内而且随着构件与支座距离的变 大影响逐渐变弱。 ( - - ) 抗震分析 本结构抗震设防烈度为8 度( O 2 0 9 ) ；场地类别为类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为乙类。 按规范规定选取反应谱曲线用振型分解反应谱法进行计算，采用C Q C 方法进行组合。根据建筑抗震设计规范 ( G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) ，计算中地震影响系数最大值a m “= 0 1
15、 6 ，场地特征周期T g = O 4 5 s ，可得到水平地震影响系数 曲线。其中X 向取a 。，Y 向取0 8 5 a n 。按E X + 0 8 5 E Y 组合考虑地震力。 表8 网壳节点地震工况最大位移对比表 位移最大值( m ) 位移方向 ； 载荷组合 模型一模型二 竖直 1 6 1 08 4 9 地震 水平1 8 5 25 1 3 表9 网壳杆件地震工况最大组合应力对比表( M P a ) 霉合 应力最大值( 肝a ) 模型一模型二 地震2 6 6 l2 2 5 4 表1 0 地震工况下支座动反力对比表( 删) 模型模型一 模型二 竖直向 1 4 8 7 78 1 3 7 水平X 向2 8 7 8 21 4 7 5 3 水平Y 向 2 8 5 7 2 1 6 4 9 5 表1 1 环向索地震工况内力对比表( 州) 工业建筑2 0 0 8 增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 环索一环索二环索三环索四 。 环索五 I 组合 模犁。模型二模型一模璀：模型一模型二模型一 模型二模龌一模型二 l 地震1 5 5 2 01 0 7 4 29 1 7 84 8 8 47 2 7 83 3 8 83 2 6 32 9 8 62 3 8 44 0
