体育馆结构设计要点分析摘要：以某体育馆结构设计为例，介绍了该结构的计算分析要点，探讨了上部网架的简化方法，并阐述了采用PKPM设计体育馆时，特殊楼板在结构计算中的假设方法，使计算结果更加准确，从而保证结构设计的安全性。
在结构设计中，体育馆属于比较特殊的一类结构。这类结构一般中间为体育活动场地，四周为斜楼板的看台或是狭长的走廊，顶部一般为大跨度的网架、桁架或其他钢结构，这类结构与一般结构计算时有很多不同，本文结合一个工程实例，分析在使用PKPM设计体育馆时与设计一般结构的不同之处。
本工程为某地一综合性体育馆，体育馆分两部分，一部分为篮球馆，一部分为游泳馆，二者之间由伸缩缝分开，本文仅介绍篮球馆部分的设计过程。该篮球馆主体为框架结构，框架等级一级，总高15．900m，屋顶为网架结构，建设场地位于设防烈度8度区域，设计基本地震加速度值为0．2g，地震分组第二组，场地类别Ⅲ类，抗震设防类别：乙类。结构平面图(见图1)：左右两边为斜看台，上边为连接两侧的走廊，中间为篮球场，下部为整个体育馆入口。设计时混凝土主体结构和上部网架分开计算，下部混凝土结构采用中国建筑科学研究院的PKPM系列软件，上部网架采用MST软件。
本文旨在分析体育馆结构与其他结构设计时的不同，所以一些比较常规的设计步骤就不再赘述了。这里将主要讲述如下内容：1)如何合理简化上部网架使其能参与整体计算;2)特殊楼板在结构计算中应如何假设;3)计算结果分析。
本次设计网架计算采用MST软件，MST软件可用于空间网格结构的前期处理、图形处理、杆件优化设计、球节点设计以及绘制网架施工图，它能完成各种复杂体形的空间网格结构，是一种网架计算比较常用的软件。设计时先对网架做整体计算完美体育官方网站，计算完成后导出计算结果，然后将网架支点处的内力输入混凝土结构柱顶节点处，最后再对整个结构进行计算。由于本工程网架比较规则，MST软件应用也较多，所以这里不再赘述用MST计算网架的经过，而是主要分析结构整体计算时，如何考虑网架部分对结构整体计算的影响。网架对主体结构计算的影响主要有两方面，内力以及刚度，内力在整体计算前已经输入到下部框架柱顶，剩余就是如何考虑网架刚度对整体的影响，刚度的大小将直接影响计算结果中的周期、位移以及配筋。
由于SATWE计算时不能直接考虑网架刚度，所以设计时就需要对整体附加一些刚度，代替网架对整体的刚度。这个设计中是在屋顶网架部位输入交叉钢梁，将楼板的板厚设置为0，荷载为0，将钢梁的重量设置为一个很小可以忽略的值0．01(SAT-WE参数设置中)，这样既能对整体结构提供刚度，又不会产生多余的荷载，使计算结果更加精准。本次设计的依据是JGJ7—91网架结构设计与施工规程，规范规定：正放四角锥网架结构，可简化为交叉钢梁体系，简化的原则是惯性矩折简，内力、位移计算使用差分法。交叉钢梁截面根据网架折算惯性矩I选取，惯性矩I可按下式计算：I=AtAbh2/(At+Ab)。其中，At，Ab分别为网架上、下弦杆截面面积(网架弦杆截面有变化时，在差分法计算中可分别取上、下弦杆截面面积的算数平均值);h为网架高度。选取的梁截面惯性矩等于网架折算惯性矩I即可，按惯性矩等代后的钢梁输入模型得到等代钢梁平面布置图。
在使用PKPM系列软件设计混凝土结构时，是将楼板本身的计算和结构整体计算分开进行的。楼板本身的配筋可采用专用的楼板计算配筋程序设计，PKPM软件通过PMCAD中的“结构平面图”和专用模块中的“复杂楼板有限元分析SLABCAD”单独计算，前者用于普通楼板设计，后者用于复杂楼板设计，结构整体计算采用SATWE软件，SATWE软件整体计算主要以梁、柱、斜支撑等杆件的内力和配筋为设计对象，计算中不对楼板做单独的内力分析，仅考虑结构整体计算时楼板为主体提供的刚度。在使用SATWE软件计算前，先通过PMCAD计算将楼板上全部荷载导算到楼板周围的梁上，梁再导算到柱、斜支撑等竖向构件上，整体计算时直接读取导算后梁、柱、斜支撑等构件上的荷载，这样就能得出结构设计所需要的周期、位移和构件的配筋信息等结果。在体育馆这类结构的设计中，因为楼板的特殊性，所以如何考虑楼板为主体提供的刚度是这类设计的一个要点。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中5．1．5规定，进行结构整体内力与位移计算时，可假定楼板在其自身平面内为刚度无限大，设计时要采取保证楼板平面内整体刚度的措施，但是当楼板平面内整体刚度无法保证时，楼板就会产生明显的面内变形，计算时就必须考虑楼板面内变形影响，或者对楼板面内无限刚性假定的计算结果进行调整。规范3．4．6中规定在下列情况时需要考虑平面内变形：当楼板平面比较狭长、有较大的凹入或开洞时;楼板开洞面积大于该楼层面积的30%;开洞后楼板在某一方向的最小净宽度小于2m;开洞后洞口处楼板的有效宽度小于该层楼板宽度的50%。
一般的结构设计中，钢筋混凝土楼板有非常大的面内刚度，楼板平面内变形与结构主体的层间位移相比要小很多，因此在SATWE计算时楼板的平面内刚度可以假定为无限大;而在平面外楼板刚度相对很小，可以假定在平面外刚度为零，这就是一般楼板常用的“刚性楼板假定”。而本工程楼板大部分为狭长楼板和斜楼板，根据上述规范的要求，计算时需要考虑狭长楼板和斜楼板平面内变形的影响，所以这次计算不可以采用刚性楼板假定，只能采用弹性楼板假定。结合PKPM软件对弹性楼板假定的分类，选用弹性膜假定。这种假定真实地反映楼板的面内刚度，平面外刚度为零，平面外刚度以梁刚度放大系数形式来间接考虑，目前版本的SAT-WE程序可以自动判断梁和楼板的关系，对不同位置的梁指定不同的刚度放大系数，参数选择“梁刚度放大系数2010规范取值”。经过最后对比分析计算结果，这种假定比较合理，能真实的反映出整体变形情况。
经过上述假设后，做SATWE计算得到整体计算的周期和位移的结果。由结果可以看出层间位移角和位移比的计算是不满足1/550和1．2的要求的。分析这两项计算结果首先要了解这两项参数的意义，结构位移比是指在考虑偶然偏心的规定水平力作用下，楼层的竖向构件的最大水平位移与平均位移的比值，平均位移是最大位移和最小位移的平均值，是一个整体参数，不应在竖向构件中出现弹性节点;位移角是指按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比，保证结构有足够大的刚度，避免产生过大的位移而影响结构稳定性和正常使用要求，这两者均是要求在楼板为刚性楼板条件下的参数，而本工程结构中很多柱子不在同一标高，或某一层没有楼板且结构计算时所有斜楼板和狭长楼板均采用了弹性膜假定，这都不满足这两项参数所需的假定条件，所以计算结果中的位移角和位移比就没有意义，也就不能说明结构计算不满足要求。那如何判断结构的位移比和位移角是否满足规范要求，在SATWE进行内力计算时，位移输出方式选择“详细输出”，然后观察计算结果中的空间变形图来分析结构的整体效应，先排除由于错层、不等高柱、斜板层原因产生的局部楼层的位移，然后选取结构中比较主要的角点，取其柱上下节点位移差来补充计算结构的位移比或层间位移角，最后再判断计算结果是否满足规范要求。通过这次设计可以看出，在使用PKPM软件设计体育馆这一类结构时，需要做一些不同于一般结构的假设，做这些假设的基础首先是规范条文的规定，其次是假设最接近真实受力情况，只有这样才能让软件计算出最接近实际的计算结果，使设计的工程更加安全可靠。
［3］陈岱林．PKPM结构CAD软件问题解惑及工程应用实例解析［M］．北京：中国建筑工业出版社，2010．