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12486m2。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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/m2，恒载1.0kN/m2（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。

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/m2，玻璃采光顶1kN/m2；

屋面活荷载：0.5 kN/m2；

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/m2（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/m2（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。

分析及结果

管桁架屋盖先采用Midas Gen进行单独分析，对管桁架杆件截面进行初选，然后采用YJK进行整体拼装分析。又用Midas Gen进行了整体结构的对比分析。YJK分析结果与Gen分析结果吻合较好。这里主要提取了游泳馆楼盖和管桁架屋盖的部分分析结果。

经过优化比选，最终管桁架上弦杆截面采用φ219X10，下弦杆截面φ245X14，受拉腹杆采用φ121X6，受压腹杆中部区域采用φ121X6，两端区域采用φ133X8，与支座相连斜腹杆采用φ133X8。杆件验算比均控制在0.8以内。

挠度验算：跨度L=41200，变形量：△L=87mm

则：△L／Ｌ＝91/41200=1/473<1/400，满足规范要求。

采用成品抗拔球铰支座

施工要求

砼空腹空腹拱架梁施工时要待上弦、腹杆及下弦拱砼强度等级均达到100%后，从上而下拆除模板。严禁先行拆除下弦拱的模板。拆模时，应进行结构变形观测。

管桁架施工安装时，应从一端的两榀桁架开始，待该两榀桁架的稳定桁架、刚系杆以及钢拉条全部安装完毕，并校正其垂直度、水平定位后，再逐次安装相邻榀桁架。

主桁架拼装过程中，先固定一端，另一端只进行侧向限位处理，待整个屋盖安装完毕（包括屋面维护系统）且进入结构合拢温度区间后，方可固定另一端支座。

项目完工实景照片展示

   结    语   

游泳馆楼盖采用现浇砼空腹拱架梁体系，规避了普通钢结构楼盖在潮湿环境中防腐处理的难题，较好地平衡了结构效率和建筑观感，虽然跨度接近30米，结构看起来依然轻巧通透。楼盖次梁与竖向腹杆一一对应，更加强化了结构自身的韵律感。

篮球馆屋盖跨度更大，屋面采用金属屋面，荷载较小，故采用单向布置的立体管桁架结构，以实现结构的跨越和建筑观感上的简洁有序。立体管桁与采光带交错布置，相得益彰。

本项目是一个典型的两层大跨案例，该工程实践为多层大跨结构提供了一种解决方案。