HNAD 技术专栏 | 郑州中学高中部外迁项目体育馆结构设计技术赏析-河南省建筑设计研究院有限公司

为了更好地促进与业界同仁间的深入交流，分享项目实际所获，我们特别开设“HNAD技术专栏”。在这个专栏中，我们将会深入探讨项目设计的核心要素，细致分享我们在实际项目中的经验和洞见，以期为建筑设计领域提供些许启发和价值。

本期为大家带来的是“郑州中学高中部外迁项目体育馆结构设计”案例赏析，稿件由河南省院结构研究室王世权整理供稿，在此特别感谢。

一、工程概况

郑州中学高中部外迁项目体育馆位于郑州市西北部，莲花街与红松路交叉口东南角。该项目地下二层，地上二层。中部区域地下一层和一层通高，为游泳馆；二层为篮球馆。地下二层层高4.0m，地下一层层高3.0m，地上一层层高5.0m，地上二层层高9.8m。室内外高差0.45m，檐口结构高度为15.950，屋脊结构标高最高点为20.45m。总建筑面积12486m^²。

结构体系：钢筋砼框架结构

楼盖体系：游泳池顶盖采用现浇砼空腹拱架梁；篮球场屋盖采用倒三角形立体管桁架。

现场实景照片建筑横剖面图

二、体系建构

本项目一层游泳馆短向跨度29.2m，二层篮球馆短向跨度41.2m，属于典型的两层大跨结构。楼盖体系的恰当选择是该项目的重点和难点。

游泳馆楼盖体系建构

首层游泳池为标准的8赛道50米游泳池，游泳馆楼盖平面尺寸为63mX29.2m，层高8m，两侧有夹层，层高分别为3m和5m。

游泳馆楼盖体系建构时需要重点考虑的三个因素：

大跨度：29.2m，如果采用普通砼结构会极其笨重，结构效率低；

环境潮湿：如果采用钢结构，防腐是个特别突出的问题，后续对日常维护要求高；

舒适度：二层为篮球馆，舒适度也是重要的控制项。

为了能较好解决上述问题，本项目中，借鉴上承式拱桥的结构形态，采用砼空腹拱架梁来实现29.2m的跨越。砼空腹拱架梁由下弦拱、竖向腹杆和上弦水平梁构成，拱脚生根在下层楼层位置。

上承式拱桥案例：重庆万县长江大桥

典型榀砼空腹拱架梁立面

本楼盖共采用了六榀砼空腹拱架梁，垂直于拱架梁设置与竖向腹杆一一对应的单向次梁。为了进一步提高下层楼盖对下弦拱的侧向约束能力，该层板厚适当加厚，双层双向拉通配筋，在拱脚对应的地下临墙跨增加生根于基础的剪力墙。

因为空腹拱架梁通透性好，一榀榀排列过去形成拱廊，韵律感强，且越到中部区拱架梁所占空间越小，会让游泳馆拥有更丰富、舒适的空间。

游泳馆楼盖模型透视图

篮球馆屋盖体系建构

篮球馆共有席位2711个，其中活动座椅884个；篮球馆屋盖长69m，宽41.2m；两侧有夹层，层高分别为5.44m和4.36m。

该建筑整体上是欧式风格，屋盖造型较为复杂，四面斜坡，东西两侧有老虎窗；屋顶沿Y向布置了五条采光带；

经过反复比选，屋盖采用了沿短向布置的倒三角形变高度立体管桁架结构，管桁架采用相贯焊节点，共六榀。可很好实现建筑上简洁、通透的效果。屋面采用直立锁边铝镁锰金属屋面。桁架支座采用成品抗拔球铰支座以实现理想的铰接效果。

三、模型建立

本项目抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组；多遇地震水平地震影响系数最大值为0.12；

建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s；

建筑抗震设防类别：重点设防类；

阻尼比：钢材为0.02，砼为0.05，混合结构阻尼比由程序通过应变能因子法准确计算；

基本风压: Wo=0.45kN/m²(重现期 R=50)，地面粗糙度为B类。

基本雪压：So=0.45 kN/m²(重现期 R=50)。

游泳馆楼盖建模

材料：砼强度等为C40，杆件纵筋和箍筋均采用HRB400钢筋。

荷载：活荷载4.0 kN/m^²，恒载1.0kN/m^²（该恒载不包括结构自重）；

砼空腹拱架梁基本参数：榀距为9m，弦杆中心线距离在两端为5m，跨中为1m。下弦拱矢高为4m，矢跨比为1/7.3。

上弦杆截面：600X500，下弦拱:600X500/800；

竖向腹杆：间距2.1m，从跨中至两端腹杆所受剪力逐渐减小，腹杆截面高度500（垂直拱架方向），宽度由500减小至300。

单向密肋梁：楼盖对应腹杆位置设置垂直于拱架梁的单向密肋梁，梁截面250X500;

现浇砼楼板：100厚。

YJK模型

Gen模型

篮球馆屋盖建模

钢材：管桁架采用结构用无缝钢管，Q345B钢；

荷载：

屋面恒荷载：金属屋面0.5kN/m^²，玻璃采光顶1kN/m^²；

屋面活荷载：0.5 kN/m^²；

马道及场地照明：恒载1.0kN/m，活载3.0kN/m；

活动舞台灯光：3.0kN/m^²（按活荷载考虑）

温度作用：郑州市最高基本气温Tmax=36°C，最低基本气温Tmin=-8°C，屋盖合拢温度区间设定为15°C~20°C，则升温△T=21°C，降温△T=28°C。

基本风压：Wo=0.45kN/m^²（n=50年），地面粗糙度按B类，屋盖中部高度：20.000m（檐口高度，屋盖中部高度为17.950m）。

管桁架杆件单元选择：

弦杆：采用梁单元。

腹杆：可采用梁单元或桁架（杆）单元

因为节点采用相贯焊接，在腹杆两端存在一定约束，并非理想铰接，属于半刚性节点。故采用梁单元或桁架单元可以视情况而定，当长径比较小时，以采用梁单元为好。对比过几个案例，正常情况下，两者结果相差很小。一般规律是：腹杆采用梁单元对杆件设计偏安全，采用杆单元挠度验算偏安全。（当杆件长径比不满足《钢规》10.1.4.2条要求时，要采用梁单元）。本项目杆件强度验算时采用梁单元，桁架挠度验算时采用杆单元。

主桁架：

该篮球馆屋盖跨度为41.2m，采用直立锁边铝镁锰金属屋面，沿短跨两坡排水，排水坡度5%。立体管桁架采用中间高两端低高度渐变的立面形态，以契合屋面坡度，下弦杆保持水平。桁架高度从中部的3.5m渐变至端部的2.7m，高跨比：3.5/41.2=1/11.8。上弦杆间距为3m，腹杆节间距中部区域为3.05m，两端区域为2.8m。

边界：屋盖结构单独分析时，一端采用铰接，一端沿桁架方向单向滑动；整体拼装分析时，桁架与下部结构之间铰接。

整体稳定系统：

封边桁架：立体桁架采用下弦支撑时，应有可靠的防侧倾体系。

刚性系杆+斜拉条：形成了有效的上弦面内稳定系统，因为脊线不在正中央，故中间采用双刚性系杆。