第45卷第15期2015年8月上建筑結構BuildingStructureVol．45No．15Aug．2015

浙江音樂學院體育館空間折板桁架結構設計

徐凌峰，謝道清

（浙江綠城六和建筑設計有限公司，杭州310013）

［摘要］浙江音樂學院體育館下部采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，上部鋼結構按建筑功能和校區(qū)整體風格采用空間折板桁架結構。該結構屋面和兩側墻面均為空間折板桁架，兩側墻面的桁架內(nèi)側豎桿有效地埋入下部混凝“手風琴”土墻柱中，呈沿東西方向的造型。為了保證分析結果的準確性，采用上下部結構整體模型，對空間折板桁動力、特征值屈曲及非線性屈曲分析，并研究了墻面空間折板桁架與屋面空間折板桁架的協(xié)調(diào)工作架進行了靜力、

性能。結果表明，空間折板桁架結構的工作性能雖不是很優(yōu)越，但考慮到屋面空間折板桁架與墻面空間折板桁架的協(xié)同工作，此類結構具有較高的穩(wěn)定性。

［關鍵詞］空間折板桁架；特征值屈曲分析；非線性屈曲分析中圖分類號：TU391

文獻標識碼：A

848X（2015）15-0041-05文章編號：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工程概況

浙江音樂學院體育館位于杭州市之江旅游度假

區(qū)，該館為浙江音樂學院的體育教學及運動比賽場

西兩區(qū)塊，東區(qū)為羽毛球運動地。建筑設計分東、

場，西區(qū)按小型籃球場設計，建筑效果圖、結構剖面2。建筑東西長約圖及典型平面布置圖分別見圖1，

2

108m，南北長約76m，總建筑面積約為7344m。結

2層局部屋面為人員疏散平臺，構地上兩層，通過室外樓梯疏散到室外地坪�；@球場看臺席位約2000個，看臺頂標高8.200m�？磁_及附屬功能用房采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。上部鋼結構根據(jù)建筑功能和校區(qū)整體風格設計成空間折板桁架，建筑上形成沿東西方向的“手風琴”造型，與周邊的操操場大看臺遙相呼應。屋面鋼結構高度呈中間場、高、兩端低的形態(tài)，其中屋脊位置最高點處標高約為23.200m，最低點約為18.950m；屋面水平最大跨度約為47.2m

。

2

圖1浙江音樂學院體育館建筑效果圖

結構形式

普通的折板結構是由平面或曲面薄板在空間以

［1］

一定的角度相交連成折線形的空間結構。該類結構適用于規(guī)則的長條形屋面，折板的兩端直接落地或擱置在周邊的圈梁上。此類結構出現(xiàn)初期基本采用鋼筋混凝土薄板，跨度也極其有限。一些學者

Email：作者簡介：徐凌峰，碩士，高級工程師，一級注冊結構工程師，XLFUN@126．com。

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建筑結構2015

年

圖3

結構整體三維模型

圖2

浙江音樂學院體育館結構剖面圖與典型平面布置圖

［2］

圖4屋面鋼結構三維模型

對鋼結構折板網(wǎng)殼開展了靜力及動力特性研究

但在具體工程的應用并不常見。

，

錨固到下部混凝土結構中，墻面折板布置具體做法見圖5。對沒有側向支撐桿的豎向立柱柱段，混凝土柱頂至立柱與墻面斜撐桿交接處采用外包混凝土柱墩，保證墻面空間折板桁架的側向剛度和抗彎能力的連續(xù)性。在鋼立柱和屋面下弦桿相交處，因桿件較多導致應力集中，本工程采用直徑500mm的焊接球作為連接節(jié)點。結構因屋面和墻面空間折板桁架缺失橫向水平系桿，上下弦桿與鋼立柱的構件穩(wěn)定計算長度系數(shù)無法確定。因而結構只有通過整體結構穩(wěn)定分析才能確定結構的穩(wěn)定性

。

該工程在方案階段，建筑師希望采用現(xiàn)澆混凝

使屋面內(nèi)外形狀完全一致。根據(jù)對V形折土屋面，

板混凝土屋面的估算，發(fā)現(xiàn)因折板的自身穩(wěn)定要求，

跨度近47m的混凝土屋面V形折板板厚過大，極大地增加了下部墻柱及基礎的造價。對屋面進行優(yōu)化

采用折板桁架屋面和混凝土墻柱，但因屋面折板后，

計算發(fā)現(xiàn)屋面的上下桁架缺少橫向上下水平系桿，

弦桿因在平面內(nèi)外無可靠的側向支撐，導致構件的穩(wěn)定性較低。經(jīng)多次比較，最終采用屋面與兩側墻面均為空間折板桁架的結構形式。該類結構在跨度40～55m范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較好，但跨度超過65m后穩(wěn)定性急劇下降。

結構整體三維模型與屋面鋼結構三維模型分別4。其中屋面空間折板桁架的屋脊與相鄰的見圖3，

天溝高差約為3m，屋脊與相鄰的屋脊、天溝與相鄰

的天溝水平間距均為3.6m；墻面折板桁架的脊線和而墻面外凸的V形折板谷線在屋面保持間隔布置，

桁架與豎向立柱的水平間距約為1.5m。

結構山墻及羽毛球場與籃球場分界位置的框架柱均伸至屋面下弦桿處，且在兩個場館的六個角部設置剪力墻，作為屋面鋼結構的主抗側力體系。在墻面的豎向鋼立柱頂部和墻柱頂部沿周邊通長設置水平系桿，加強立柱的側向穩(wěn)定；框架墻柱沒有伸至由豎向立柱與其他輔助桿件通過斜撐屋頂?shù)奈恢茫?/p>

桿形成的墻面折板結構作為豎向傳力主構件，有效

圖5鋼結構墻面折板布置圖

3結構分析

3.1計算參數(shù)選取

結構整體模型計算分析及鋼結構的后續(xù)設計采

用MIDAS/Gen軟件，并配合SAP2000軟件輔助分析校核；下部混凝土結構設計采用PKPM系列的SATWE軟件計算。主要考慮如下荷載與作用：

第45卷第15期徐凌峰，等．浙江音樂學院體育館空間折板桁架結構設計

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（1）屋面采用鋁鎂錳金屬板作為屋面圍護材

料，考慮到屋面保溫、防水及吸音做法，屋面恒荷載

2

按1.0kN/m取值（非投影面），局部吊頂及馬道荷載按建筑區(qū)域進行布置。四周的墻面也是鋁鎂錳金2

屬板，墻面恒荷載按0.6kN/m取值（非投影面），程序自動計算結構構件的自身重量。

場館分界墻位置處的豎向荷載直接傳遞至混凝土墻柱，靜力荷載作用下屋面最大豎向位移見圖6。由圖6可知，結構跨度最大的一榀桁架的豎向位移最大，約為64mm，撓跨比為1/737，滿足《鋼結構設計（GB50017—2003）［5］中撓跨比小于1/400的規(guī)范》

要求。屋面空間折板桁架在各標準工況下的最大豎向位移見表2。

屋面空間折板桁架最大豎向位移

位置屋面空間

折板桁架跨中

荷載標準組合恒+活（雪）恒+溫（升）恒+溫（降）恒+雪+溫（降）恒+活+溫（升）

L=47．2m。注：L為跨度，

最大豎向位移Δmax/mm

－61－43－56－64－58

（2）屋面施工活荷載按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB

50009—2012）［3］（簡稱荷載規(guī)范）取0.5kN/m2。（3）杭州地區(qū)的基本雪壓為0.45kN/m2，由于該鋼結構屋面結構為多跨雙坡屋面，參考荷載規(guī)范表7.2.1中第7項可知，積雪分布系數(shù)分均布和非均布兩種：均布的積雪分布系數(shù)為1.0；非均布的積兩端斜坡為0，故雪分布系數(shù)中間各坡系數(shù)為1.4，

雪荷載能包絡活荷載。

（4）基本風壓為0.45kN/m2，參考荷載規(guī)范表8.3.1中第8項封閉式雙跨雙坡屋面取風荷載值。（5）根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2010）［4］（簡稱抗規(guī)），建筑抗震設防等級分類為標準設防類，設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。（6）由于建筑是露天鋼結構，對溫度作用敏感，故設計中考慮溫度作用。設計合攏溫度為15℃，上部鋼結構的溫差取為25℃，下部混凝土結構的溫差取為20℃。

（7）下部混凝土結構混凝土強度等級為C30，上部鋼結構材料為Q345鋼。動力計算時，考慮組合模型中混凝土與鋼結構相互作用，阻尼比取0.03；上部鋼結構空間折板桁架的主要桿件截面見表1。因上下弦桿軸力較大，設計時應明確注明跨中軸力較大的位置，并應保證桿件的完整性，不得拼接。

3.2結構靜力分析

在上述各類靜力荷載作用下，按照荷載規(guī)范進行荷載組合，屋面鋼結構的位移變形與內(nèi)力分布有如下規(guī)律：屋面空間折板桁架為橫向單向傳力模式，各榀單獨變形，相互間基本無影響。結構僅山墻與

主要桿件截面

桿件位置

桿件名稱上弦桿下弦桿

屋面

斜撐桿柱頂通長系桿下弦水平系桿豎向立柱

墻面

豎向輔助桿斜撐桿

規(guī)格

��245×16��245×16��140×6，��140×4

��140×4

��89×4��351×18��219×12��114×4

表2

Δmax/L1/7731/10981/8431/7371/814

圖6靜力荷載作用下屋面最大豎向位移/mm

由于屋面為單榀單向變形，屋面空間折板桁架的內(nèi)力也呈相似分布。因此，只需考慮最大跨桁架的應力就能保證結構的強度；在靜力荷載作用下，墻面空間折板桁架僅起圍護作用和簡單傳遞部分豎向荷載，內(nèi)力不大。表3為屋面空間折板桁架在各基本工況下的應力水平。