体育馆空间折板桁架结构设计
第45卷第15期2015年8月上建筑结构BuildingStructureVol．45No．15Aug．2015
浙江音乐学院体育馆空间折板桁架结构设计
徐凌峰，谢道清
（浙江绿城六和建筑设计有限公司，杭州310013）
［摘要］浙江音乐学院体育馆下部采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，上部钢结构按建筑功能和校区整体风格采用空间折板桁架结构。该结构屋面和两侧墙面均为空间折板桁架，两侧墙面的桁架内侧竖杆有效地埋入下部混凝“手风琴”土墙柱中，呈沿东西方向的造型。为了保证分析结果的准确性，采用上下部结构整体模型，对空间折板桁动力、特征值屈曲及非线性屈曲分析，并研究了墙面空间折板桁架与屋面空间折板桁架的协调工作架进行了静力、
性能。结果表明，空间折板桁架结构的工作性能虽不是很优越，但考虑到屋面空间折板桁架与墙面空间折板桁架的协同工作，此类结构具有较高的稳定性。
［关键词］空间折板桁架；特征值屈曲分析；非线性屈曲分析中图分类号：TU391
文献标识码：A
848X（2015）15-0041-05文章编号：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工程概况
浙江音乐学院体育馆位于杭州市之江旅游度假
区，该馆为浙江音乐学院的体育教学及运动比赛场
西两区块，东区为羽毛球运动地。建筑设计分东、
场，西区按小型篮球场设计，建筑效果图、结构剖面2。建筑东西长约图及典型平面布置图分别见图1，
2
108m，南北长约76m，总建筑面积约为7344m。结
2层局部屋面为人员疏散平台，构地上两层，通过室外楼梯疏散到室外地坪。篮球场看台席位约2000个，看台顶标高8.200m。看台及附属功能用房采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。上部钢结构根据建筑功能和校区整体风格设计成空间折板桁架，建筑上形成沿东西方向的“手风琴”造型，与周边的操操场大看台遥相呼应。屋面钢结构高度呈中间场、高、两端低的形态，其中屋脊位置最高点处标高约为23.200m，最低点约为18.950m；屋面水平最大跨度约为47.2m
。
2
图1浙江音乐学院体育馆建筑效果图
结构形式
普通的折板结构是由平面或曲面薄板在空间以
［1］
一定的角度相交连成折线形的空间结构。该类结构适用于规则的长条形屋面，折板的两端直接落地或搁置在周边的圈梁上。此类结构出现初期基本采用钢筋混凝土薄板，跨度也极其有限。一些学者
Email：作者简介：徐凌峰，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，XLFUN@126．com。
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建筑结构2015
年
图3
结构整体三维模型
图2
浙江音乐学院体育馆结构剖面图与典型平面布置图
［2］
图4屋面钢结构三维模型
对钢结构折板网壳开展了静力及动力特性研究
但在具体工程的应用并不常见。
，
锚固到下部混凝土结构中，墙面折板布置具体做法见图5。对没有侧向支撑杆的竖向立柱柱段，混凝土柱顶至立柱与墙面斜撑杆交接处采用外包混凝土柱墩，保证墙面空间折板桁架的侧向刚度和抗弯能力的连续性。在钢立柱和屋面下弦杆相交处，因杆件较多导致应力集中，本工程采用直径500mm的焊接球作为连接节点。结构因屋面和墙面空间折板桁架缺失横向水平系杆，上下弦杆与钢立柱的构件稳定计算长度系数无法确定。因而结构只有通过整体结构稳定分析才能确定结构的稳定性
。
该工程在方案阶段，建筑师希望采用现浇混凝
使屋面内外形状完全一致。根据对V形折土屋面，
板混凝土屋面的估算，发现因折板的自身稳定要求，
跨度近47m的混凝土屋面V形折板板厚过大，极大地增加了下部墙柱及基础的造价。对屋面进行优化
采用折板桁架屋面和混凝土墙柱，但因屋面折板后，
计算发现屋面的上下桁架缺少横向上下水平系杆，
弦杆因在平面内外无可靠的侧向支撑，导致构件的稳定性较低。经多次比较，最终采用屋面与两侧墙面均为空间折板桁架的结构形式。该类结构在跨度40～55m范围内，稳定性较好，但跨度超过65m后稳定性急剧下降。
结构整体三维模型与屋面钢结构三维模型分别4。其中屋面空间折板桁架的屋脊与相邻的见图3，
天沟高差约为3m，屋脊与相邻的屋脊、天沟与相邻
的天沟水平间距均为3.6m；墙面折板桁架的脊线和而墙面外凸的V形折板谷线在屋面保持间隔布置，
桁架与竖向立柱的水平间距约为1.5m。
结构山墙及羽毛球场与篮球场分界位置的框架柱均伸至屋面下弦杆处，且在两个场馆的六个角部设置剪力墙，作为屋面钢结构的主抗侧力体系。在墙面的竖向钢立柱顶部和墙柱顶部沿周边通长设置水平系杆，加强立柱的侧向稳定；框架墙柱没有伸至由竖向立柱与其他辅助杆件通过斜撑屋顶的位置，
杆形成的墙面折板结构作为竖向传力主构件，有效
图5钢结构墙面折板布置图
3结构分析
3.1计算参数选取
结构整体模型计算分析及钢结构的后续设计采
用MIDAS/Gen软件，并配合SAP2000软件辅助分析校核；下部混凝土结构设计采用PKPM系列的SATWE软件计算。主要考虑如下荷载与作用：
第45卷第15期徐凌峰，等．浙江音乐学院体育馆空间折板桁架结构设计
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（1）屋面采用铝镁锰金属板作为屋面围护材
料，考虑到屋面保温、防水及吸音做法，屋面恒荷载
2
按1.0kN/m取值（非投影面），局部吊顶及马道荷载按建筑区域进行布置。四周的墙面也是铝镁锰金2
属板，墙面恒荷载按0.6kN/m取值（非投影面），程序自动计算结构构件的自身重量。
场馆分界墙位置处的竖向荷载直接传递至混凝土墙柱，静力荷载作用下屋面最大竖向位移见图6。由图6可知，结构跨度最大的一榀桁架的竖向位移最大，约为64mm，挠跨比为1/737，满足《钢结构设计（GB50017—2003）［5］中挠跨比小于1/400的规范》
要求。屋面空间折板桁架在各标准工况下的最大竖向位移见表2。
屋面空间折板桁架最大竖向位移
位置屋面空间
折板桁架跨中
荷载标准组合恒+活（雪）恒+温（升）恒+温（降）恒+雪+温（降）恒+活+温（升）
L=47．2m。注：L为跨度，
最大竖向位移Δmax/mm
－61－43－56－64－58
（2）屋面施工活荷载按《建筑结构荷载规范》（GB
50009—2012）［3］（简称荷载规范）取0.5kN/m2。（3）杭州地区的基本雪压为0.45kN/m2，由于该钢结构屋面结构为多跨双坡屋面，参考荷载规范表7.2.1中第7项可知，积雪分布系数分均布和非均布两种：均布的积雪分布系数为1.0；非均布的积两端斜坡为0，故雪分布系数中间各坡系数为1.4，
雪荷载能包络活荷载。
（4）基本风压为0.45kN/m2，参考荷载规范表8.3.1中第8项封闭式双跨双坡屋面取风荷载值。（5）根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）［4］（简称抗规），建筑抗震设防等级分类为标准设防类，设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s。（6）由于建筑是露天钢结构，对温度作用敏感，故设计中考虑温度作用。设计合拢温度为15℃，上部钢结构的温差取为25℃，下部混凝土结构的温差取为20℃。
（7）下部混凝土结构混凝土强度等级为C30，上部钢结构材料为Q345钢。动力计算时，考虑组合模型中混凝土与钢结构相互作用，阻尼比取0.03；上部钢结构空间折板桁架的主要杆件截面见表1。因上下弦杆轴力较大，设计时应明确注明跨中轴力较大的位置，并应保证杆件的完整性，不得拼接。
3.2结构静力分析
在上述各类静力荷载作用下，按照荷载规范进行荷载组合，屋面钢结构的位移变形与内力分布有如下规律：屋面空间折板桁架为横向单向传力模式，各榀单独变形，相互间基本无影响。结构仅山墙与
主要杆件截面
杆件位置
杆件名称上弦杆下弦杆
屋面
斜撑杆柱顶通长系杆下弦水平系杆竖向立柱
墙面
竖向辅助杆斜撑杆
规格
245×16245×16140×6，140×4
140×4
89×4351×18219×12114×4
表2
Δmax/L1/7731/10981/8431/7371/814
图6静力荷载作用下屋面最大竖向位移/mm
由于屋面为单榀单向变形，屋面空间折板桁架的内力也呈相似分布。因此，只需考虑最大跨桁架的应力就能保证结构的强度；在静力荷载作用下，墙面空间折板桁架仅起围护作用和简单传递部分竖向荷载，内力不大。表3为屋面空间折板桁架在各基本工况下的应力水平。
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