1、安庆市体育中心体育馆网壳结构设计张鹏军 【提要】安庆市体育中心体育馆网壳是体型复杂的大跨度异型网壳结构，本文简要介绍该结构的基本情况，及其几何与力学模型的建立和设计过程。关键词: 异型网壳 有限元模型 网壳结构设计一、安庆体育馆工程概述安庆市体育中心体育馆位于安徽省安庆市，其主体结构由中国有色金属工业总公司南昌有色冶金设计研究院设计。按照建筑师的构想，该馆主体结构造型为一巨大的游鱼，其中鱼身和鱼鳍用网架结构实现，鱼尾则由钢筋混凝土和钢结构来完成。安庆体育馆网壳结构分为三部分：屋盖网壳、斜墙壳和两翼装饰网壳。屋盖网壳由大小两个双层椭球壳相贯而成，并使长轴在空间倾斜成 4 度仰角，给人以“鱼身”跃
2、起的感觉，网壳屋面主要采用双层复合钢板，局部使用采光玻璃，并将按不同规律变化高度的支托分区布置，以进一步构筑错落的曲面，实现建筑师的设想，该部分网壳由下部结构 33 根钢筋混凝土柱支撑；斜墙壳部分则是与屋盖网壳有相反曲率的椭球壳，做成局部双层加肋的单层网壳，上边缘与屋盖网壳扣在一起，下边缘支撑在环形混凝土梁上，该部分网壳作为平视视图的重要组成部分，为实现建筑艺术效果提供空间；两翼装饰壳则是在筒形网壳基础上变形后生成的不规则网壳，它的存在增加了建筑整体造型的动感，带来了活泼清新的气息。安庆体育馆屋盖网壳长轴支撑最大跨度 83.5 米，长轴总尺寸 97 米；短轴支撑最大跨度 66.1 米，短轴总尺
3、寸 77.7 米，加上侧翼部分则可达到 101 米。安庆体育馆的平立面图参见图1。图 1 安庆体育馆网壳平立面图该工程总投影面积为 6300 平方米，节点总数 2689，杆件总量达 10330 根，总用钢量约 270 吨。二。安庆体育馆网壳结构几何及力学模型的建立针对安庆体育馆网壳的具体情况，我们在建立结构的几何模型过程中采取了先分离后综合的做法，首先建立的是屋面网壳模型。我们先利用我院编写的网架分析设计程序 SFCAD，分别生成两个半径为 R=40m 和 R=160m 的标准双层正放四角锥球面网壳，网壳厚度按甲方要求的结构厚度值均取 2.5 米，然后由专用程序逐一对标准网壳进行单向变比，实现
4、要求尺寸的椭球面网壳；再将数据转入前处理软件，通过人工调整将以上两壳按建筑专业提供的尺寸对接，最后将所得的异型椭球网壳仰起一定角度，完成屋面网壳主体结构造型。类似地我们生成了一个反向曲率的双层壳，经过同样变比操作，并作局部抽空后拼接到屋面网壳上，形成斜墙壳。作为装饰网壳的两翼，则是由具有规定半径的筒壳，在投影平面内进行切削、变形并整理而实现的。最后，我们将在前处理软件中拼接而成的网壳整体模型，经译码后传递回网架设计分析软件 SFCAD，完成安庆体育馆网壳几何模型的建立。安庆体育馆网壳结构的荷载情况如下：屋面网壳上弦静荷载主要为屋面板(局部为采光玻璃)及檩条自重，考虑 0.5KN/m2；上弦活荷
5、载亦取 0.5KN/m2；下弦静荷载则主要由吸声体、灯具、音箱、电缆等组成，平均约 0.3 KN/m2，同时按 1.5KN/m 线荷载考虑马道荷载、2.0KN/m 线荷载考虑送风和排风管荷载；下弦活荷载取 0.3KN/m2；斜墙壳面取静荷载 0.5KN/m2和活荷载 0.3KN/m2；当地风荷载标准值取 0.35KN/m2；网壳结构季节温差(温度荷载)取 20；地震设防烈度 6 度。安庆体育馆网壳结构为螺栓球节点网壳，其屋面部分由 33 根钢筋混凝土柱支承，我们按主体设计单位提供的柱刚度设置了竖向固定，水平方向具有一定刚度的弹性支座；对于支承在钢筋混凝土环梁上的斜墙壳支座，由于其刚度较大，我们
6、则将其假设为固定支座进行计算。三。安庆体育馆网壳结构设计结果安庆体育馆网壳结构计算模型建立之后，我们用我院研制开发的空间网架网壳结构设计程序 SFCAD，进行了多种工况组合下的满应力优化设计，以下是本设计的主要结果：网壳结构杆件用钢量 188 吨，单位面积 29.8Kg/m2，总用钢量约 270 吨，单位面积为 42.8Kg/m2；网壳结构杆件最大拉力设计值 512KN，最大压力设计值 -888KN，选用钢管截面规格从 483.5 到 15912，共计 11 种；网壳结构竖向位移最大值为 -378.4mm，水平位移最大值分别为 X 向 79.0mm 和Y 向 -77.6mm。安庆地区地震设防烈
7、度为 6 度，按规程规定可不考虑地震荷载影响，为安全起见，类似宜春体育馆网壳设计中的作法 3，我们也将地震烈度提升至 7 度，考虑地震作用对结构进行了验算。对于该双层椭球面网壳，依参考文献 2 和参考文献 3 分析，我们认为整体稳定问题不需做特别考虑，本文仅使用壳体屈曲分析程序进行了简单的整体屈曲分析，结果基本满意。由于该网壳结构仅有单轴对称，体型极其复杂而给施工图设计带来了很大麻烦。经统计，结构杆件种类共计 2779 种，螺栓球种类共计 2689 种(每种均只有一个球)，仅螺栓球加工图即达到三十多张标准 A1 图。该工程由北京市网架厂负责安装施工，目前网架主体结构已安装完毕，即将交付使用。四
8、。结束语通过安庆体育馆网壳的设计工作，我们深刻体会到优秀计算机辅助设计软件，在复杂体型空间网架网壳设计所发挥的巨大作用。我们所使用的结构通用前处理程序功能十分强大，几乎可实现任意造型的网架网壳结构模型的生成。我院研制开发的 SFCAD 软件作为空间网架网壳结构专用设计程序，施加和调整荷载及边界条件的过程十分简便，可考虑百种以上工况，并能自动生成全部施工图纸，极大程度地减轻了设计人员的工作量，缩短了设计周期。同时，安庆体育馆屋面造型由空间网壳结构成功实现这一事实，也说明了空间网架网壳结构所具有的广泛适应性。毫无疑问，在体型复杂的建筑中，这种结构形式有着其它结构所无法比拟的优越性，可以说，网架网壳结构给建筑师们提供了施展他们的想象力和创造力的更为广阔的天地。【参考文献】1. 网架结构设计与施工规程(JGJ 7-91)，中国建筑工业出版社，1991；2. 尹德钰、刘善维、钱若军，网壳结构设计，中国建筑工业出版社，1996 年 3 月；3. 孟祥武、万超，江西宜春体育馆异形网壳的设计，第八届空间结构学术会议论文集，1997 年 10 月。
