汕头大学新体育馆结构初步设计分析

摘要：本文根据地质情况及相关资料；结合国家相关规范条文，通过PKPM及SAP2000等软件对汕头大学新体育馆进行结构分析，对该场馆的结构选型、基础设计、抗震性能等进行分析探讨。

关键词：体育馆；结构设计；结构选型；地基；

Abstract: According to the geological conditions and related information; combine with the state for the regulation of the new stadium of the Shantou University PKPM and SAP2000 software for structural analysis, the structure selection of venues, infrastructure design and seismic performance analysis to explore.Key words: stadium; structural design; structure selection; foundation

中图分类号：G818.2文献标识码： A 文章编号：

设计主要依据和资料

1．中华人民共和国国家标准、行业标准及地方标准：

《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB50068-2001

《工程结构可靠度设计统一标准》 GB/50153-2008

《建筑结构荷载规范》（2006年版） GB50009-2001

《建筑结构制图标准》 GB/T50105-2010

《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010

《预应力混凝土结构抗震设计规程》 JGJ140-2004

《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010

《建筑工程抗震设防分类标准》 GB50223-2008

《建筑地基基础设计规范》 GB50007-2002

《建筑地基基础设计规范》DBJ15-31-2003

《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008

广东省标准《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-2008

《地下工程防水技术规范》 GB50108-2008

《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ3-2010

《高层民用建筑设计防火规范》 GB50045-95（2005年版）

《建筑设计防火规范》GB50016-2006

《砌体结构设计规范》 GB50003-2001

《非承重混凝土小型砌块砌体工程技术规程》(广东省标准) DBJ/T15-18-97

《钢骨混凝土结构设计规程》 YB9082-2006

《钢筋机械连接通用技术规程》 JGJ 107-2003

《混凝土外加剂应用技术规范》 GB50119-2003

《建筑工程设计文件编制深度规定》（2008版）2009年1月

《中国地震动参数区划图》 GB18306-2001

《全国民用建筑工程设计技术措施结构》（2009）

《工程建设标准强制性条文房屋建筑部分》（2009版）

2．广东省地质建设工程勘察院提供的《汕头大学新体育馆及配套设施项目岩土工程勘察报告》、广东省工程防震研究院提供的《汕头大学新体育馆及配套设施项目工程场地地震安全性评价报告》

二．工程概况

汕头大学新体育馆及配套设施项目位于汕头市金平区汕头大学校园内。项目用地南临大学路，西临大学校园，东、北临“七日红”公园。

工程用地60868.6，项目用地呈东西向长梯形状，用地形状规则，总建筑面积为52127.4，其中：

体育馆及游泳馆总建筑面积为29525.4；地上五层，地下一层，建筑高度为23.75米。

接待中心总建筑面积为13984.1；地上九层，建筑高度38.2米

停车楼总建筑面积为7441.8，地上四层，建筑高度为15.0米。

场地西北高东南低，中间无起伏，高差接近3m，地坪标高介于4.91～7.70米之间。

（4） 本工程由体育场馆、接待中心和附属停车楼组成。

体育场馆居中布置，可用来举办室内体育比赛、音乐会、毕业典礼、展会和其他各类活动，座位共6278个，其中活动座位为3020个，固定座位为3058个，层数共五层，为观众厅、比赛场馆、各功能用房等；游泳馆包括一个具有10条标准赛道的泳池，并可以容纳432个座位。

接待中心布置在体育馆北面，共173间客房，层数为九层，其中一至四层为配套功能房，五到九层为客房。

停车楼位于西北面，共四层，可停车205辆。

三．工程地质概况：

1．场地地质条件：

地质特征自上而下描述如下表：

2．水文条件：

拟建场地属于榕江三角洲冲积平原，根据勘察结果，其地下水类型主要有两种类型：即第四系粉砂②1、砾砂②4孔隙潜水（有些地段为微承压水）和基岩裂隙承压水。

拟建场地内地下水动态类型属于渗入～迳流型，主要接受地下迳流和越流补给，并以地下迳流为主要排泄方式，补给、迳流及排泄路径较短，受大气降水影响大。其水位变化规律在5～11月水位较高，12～3月水位较低。根据场地内钻孔综合稳定水位量测情况，水位埋深为0.60～2.80m。该场地地下水与季节和地表水关系密切，随雨季水位高，旱季水位低，建议抗浮水位以拟建体育馆的±0.000m标高设计。

本次勘察工作中取水质分析样4组和一组土样分析样。其中水质分析样，第四系含水层2组，孔号为SKZK2和SKZK7；基岩含水层2组，孔号为SKZK24和SKZK34；土样分析样孔号为SKZK13，其化验结果详见附件。根据岩土工程勘察规范第12.2.1～12.2.4判定，第四系地下水和土对混凝土结构具弱腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性，基岩地下水对混凝土结构具弱腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性。

3． 建筑场地类别和场地土类别

8.1根据1：20万场地周边区域地质资料，场地内无断裂通过。

8.2根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010）及《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，拟建场地抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.20g。

根据本次勘察结果和广东省工程防震研究院的《汕头大学体育馆及配套设施项目工程场地地震安全性评价报告》，拟建工程场地建筑场地类别为Ⅱ类。

据本次勘察结果拟建场区不连续分布有淤泥质粘土②1、淤泥质粘土②6层，其承载力较低，属对震陷敏感的软弱层。

场区内砂层绝大部分处于饱和状态，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010）关于饱和砂土地震液化判别的方法和标准， 在8度地震力作用下，场地的饱和砂层均会发生液化现象，液化等级为轻微～严重，按不利条件，拟建场地液化等级按严重液化考虑，并采取适当的抗液化措施。

拟建场地地层不均匀，岩土层在平面空间分布上性质变化大且存在软弱土和液化土，综上所述本场区按8度设防时属对建筑抗震不利地段。

四．荷载取值：

1．本工程荷载按《建筑结构荷载规范》（2006版）、《全国民用建筑工程设计技术措施结构》（2009版）、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010J186-2010）及业主要求取值，如下表：

2．风荷载：

按《建筑结构荷载规范》（2006年版）GB50009-2001第7.1.2条规定基本风压按50年重现期0.8kN/m2考虑；地面粗糙度类别为B类；体育馆及游泳馆风荷载体型系数为1.4，接待中心风荷载体型系数为1.3。停车楼风荷载体型系数为1.3。

3．抗震设防：

根据国家标准《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）和《建筑抗震设计规范》 （GB50011-2010）以及广东省工程防震研究院提供的《汕头大学新体育馆及配套设施项目工程场地地震安全性评价报告》体育场馆建筑抗震设防类别为乙类，按8度基本烈度计算, 按9度采取抗震措施；接待中心和附属停车楼建筑抗震设防类别为丙类，按8度基本烈度计算及采取抗震措施。

地震安全性评价报告提供的三个概率水平的Amax、αmax、Tg和γ值如下表：

设防水准 63%（50年） 10%（50年） 3%（50年）

Amax 80.200 224.254 436.016

αmax 0.184 0.514 1.0

Tg值 0.40 0.55 0.95

γ 1.0 1.0 1.1

《汕头大学新体育馆及配套设施项目工程场地地震安全性评价报告》中对50年第一设防标准设计地震动参数下的水平地震影响系数曲线与抗震设计规范的水平方向地震影响系数曲线比较如下图

超越概率为63%的地震影响系数曲线

从上图曲线的比较可以看出，按《汕头大学新体育馆及配套设施项目工程场地地震安全性评价报告》提供的地震影响系数大于按《建筑抗震设计规范》（2010年版）（GB50011-2010）公式计算的水平地震影响系数，因此以《汕头大学新体育馆及配套设施项目工程场地地震安全性评价报告》的地震动参数作为设计依据。

五

．设计等级与要求：

1．建筑结构安全等级：

根据《建筑结构设计统一标准》本工程的使用年限为50年，体育馆及游泳馆部分建筑安全等级为一级；接待中心部分建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数γ0=1.1；停车楼、停车楼部分建筑安全等级为二级, 结构重要性系数γ0=1.0。

2．地基安全等级：

根据《建筑地基基础设计规范》，体育馆及游泳馆部分地基基础设计等级为甲级；接待中心、停车楼地基基础设计等级为乙级。

3．建筑构件的耐火等级与耐火极限：

根据《建筑设计防火规范》本工程耐火等级为一级。建筑构件的耐火极限按《建筑设计防火规范》中表2.0.1执行。

4．建筑构件挠度与裂缝宽度控制标准：

（1） 屋盖、楼盖及楼梯构件挠度允许值：

〔f〕=l0/200（l0

〔f〕=l0/250（7m≤l0≤9m时）；

〔f〕=l0/300（l0>9m时）。

（2） 结构构件最大裂缝宽度允许值：

室内正常环境〔wlim〕=0.3mm；

露天或室内潮湿环境〔wlim〕=0.2mm。

（3） 结构构件的裂缝正截面的裂缝控制等级：三级

5．混凝土结构的环境及混凝土保护层：

按照《混凝土结构设计规范》（GB50010―2010）第3.5.2条：本工程室内正常环境为一类环境类别；与室外相交部分为二a类环境类别。

混凝土保护层厚度按《混凝土结构设计规范》（GB50010―2010）第8.2.1条及表8.2.1执行

六． 结构材料：

1．钢材：

热轧钢筋： HPB300钢筋，fy=270N/mm2

HRB335钢筋，fy=300N/mm2

HRB400钢筋，fy=360N/mm2

预应力钢铰线：fpy=1320N/mm2

钢材：Q345B

2．混凝土强度等级：

混凝土设计强度等级墙柱C45，基础、底板混凝土强度等级为C35，其余楼层梁板混凝土强度等级为C30。底板混凝土采用抗渗等级为P6。

3．砌体：

本工程外墙及内墙均采用200厚加气混凝土砌快，容重不大于12kN/m3，外墙砌块的强度等级为A5.0，内墙砌块的强度等级为A5.0，砌块砂浆强度等级M5。除地下室等有防潮要求部分用水泥砂浆外，其余砂浆均用混合砂浆，砌体砂浆强度等级M5。砌体施工质量控制等级B级。

七． 地基基础及地下室设计

1． 基础及持力层的选择：

根据《岩土工程勘察报告》，基础采用直径500mm的锤击高强预应力管桩，以全风化或强风化岩为桩端持力层，桩长约为25~30米，单桩承载力特征值暂定为2000kN。首层楼板采用梁板式结构，板厚为200mm。防水混凝土结构底板的混凝土垫层，强度等级C20，厚度100。

2． 地下室抗浮设计

地下室抗浮设计水位取首层楼面标高。采用锤击高强预应力管桩兼做抗拔桩，单桩抗拔承载力特征值取400kN。

3． 结构超长处理措施：

结合建筑功能，设置两条防震缝，缝宽200mm，将建筑分为三个区域，分别为体育馆及游泳馆部分，接待中心，停车楼。体育馆及游泳馆部分为超长结构，长约217米、宽约84米，为满足建筑功能使用要求不设伸缩缝；接待中心长约105米、宽约23米；停车楼长约70米、宽约35米。各区域间大约每隔30米～40米拟设置一条后浇带。浇筑的混凝土采用低水化热水泥，适当添加合成纤维的混凝土，适当增大长向楼板配筋率等措施减小混凝土的收缩。

4． 基坑支护设计

另详专项设计。

八．结构布置和选型：

1． 结构布置

本工程游泳馆局部设一层地下室。地面以上分成体育馆及游泳馆部分，接待中心，停车楼共3个独立区域，各区域之间在地面以上以200mm宽防震缝分开，具体防震缝的布置详结构平面图。

根据以上特点，各区域作为独立计算单元，共计3个。

体育馆及游泳馆结构布置以电梯及楼梯间、管井等形成剪力墙筒体，为框架－剪力墙结构体系，采用梁板结构，屋盖为钢桁架结构体系。由于楼板开大洞、局部不连续，对楼板进行弹性有限元分析，适当加厚楼板至180mm，板筋双向贯通布置。

接待中心为框架－剪力墙结构体系，采用梁板结构。

停车楼为框架结构体系采用梁板结构。

根据结构布置，体育馆及游泳馆单向长度为217m，小于300m，屋盖跨度66m，小于120m,不属于超限大跨空间结构。

2．不规则判别

根据结构布置及计算结果，接待中心不规则性判别详下表：

3．抗震等级

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，汕头大学新体育馆及配套设施项目的设计使用年限为50年，其中体育馆及游泳馆屋面采用钢桁架结构，下部采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构，框架二级，抗震墙一级；接待中心采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构，框架抗震等级二级，抗震墙一级；停车楼部分采用钢筋混凝土框架结构，抗震等级二级。

4． 楼盖结构及墙柱设计：

（1）楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板结构。

首层板厚180mm，设备层机电房200mm，停车楼板厚150mm，，其余各层楼板厚度均为120mm左右。

（2）主要柱、墙、梁截面尺寸及混凝土强度等级

体育馆柱截面800X800、900×900mm、1000×1000mm，框架梁截面主要为600X900、600×1200mm、900×1200mm、次梁截面为300×600mm。抗震墙600mm、750mm厚。

接待中心柱截面600×600mm、框架梁截面500×600mm。次梁截面250×600mm,抗震墙400mm～600mm厚。

停车楼柱截面600×800mm、框架梁截面400×700mm。次梁截面250×600mm。

结构分析主要结果：

1．计算分析

本工程主要采用中国建筑科学研究院编写的《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（SATWE）》和SAP2000进行分析。同时根据地震安全性评价报告提供的地震波采用SATWE程序进行多遇地震下的弹性时程分析。SATWE和SAP2000将屋盖视为作用力，其计算模型不包括屋盖；SATWE计算嵌固端为-2.000m(基础面标高)。以下计算结果所列层均为计算层。

主要分析结果

（1）体育馆及游泳馆主要计算结果

①质量参与系数

SATWE SAP2000

X向 93.23% 97.82%

Y向 90.66% 97.25%

SATWE计算振型数取125个，质量参与系数均大于90％，满足规范要求。

SAP2000采用Ritz向量法，过滤掉局部振型，计算振型数取20个，质量参与系数均大于90％，满足规范要求。

②重力二阶效应及结构稳定

刚重比EJd/∑GiH2

SATWE

X向 59.51

Y向 54.20

X，Y方向刚重比均大于1.4和2.7，能够满足规范整体稳定验算，可以不考虑重力二阶效应。

③周期

④水平位移

最大位移与平均位移，最大层间位移角与平均层间位移角的比值是双向地震，考虑偶然偏心

下的结果。其最大层间位移角小于1/800，满足“抗规”第5.5.1条要求。

⑤刚度比

上下层刚度比和抗侧力结构受剪承载力之比

SATWE

X向 Y向

本层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值之较小者的最小值

（所在楼层） 1.1414>1（4） 1.1450>1（4）

本层与上层受剪承载力比最小值（所在楼层） 0.83>0.8（4） 0.83>0.8（4）

本层与上层刚度比和本层与上三层平均刚度比和所有楼层的抗侧力结构受剪承载力均符合

“抗规”表3.4.3－2关于竖向规则结构的规定，因此属于竖向规则结构。

轴压比

SATWE 规范限值

剪力墙最大轴压比

钢筋混凝土柱

剪力墙、柱轴压比均满足“抗规”第6.3.6、6.4.2条要求。

结构总重量和总地震作用力

地震作用

SATWE SAP2000

X向 Y向 X向 Y向

基底剪力

QOX(KN) 104186.19 95932.78 107678 92340

楼层最小剪重比

（所在楼层） 10.71%

(1) 9.86%

(1) 14.29%

(1) 10.31%

(1)

倾覆弯矩

MO(KN・M) 1333583.1 1227939.5

基底框架承担的地震倾覆弯矩比Mc/MO 11.59% 11.31%

结构总重量（kN）

（含底板） 972819.61 895552.5

楼层剪重比大于3.20%，满足“抗规”第5.2.5条要求。

弹性时程分析

弹性时程分析选用三条天然波TH2TG040、TH3TG040和TH4TG040，三条人工波USER475、USER501和USER2500，人工波是由安评报告提供的超越概率为63%的加速度时程曲线。

周期 T1 T2 T3 T4

时程波平均地震影响系数与振型分解反应谱法地震影响系数在结构主要振型周期点上的差异 18.83%

时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法地震影响系数曲线相符，满足“抗规”第5.1.2条的要求。

基底最大总剪力

时程波 基底最大总剪力 基底最大总剪力与振型分解法的比值

X向 TH2TG040 140778.9 135.12%

TH3TG040 119529.5 114.73%

TH4TG040 153964.7 147.78%

USER475 113477.4 108.91%

USER501 114257.2 109.67%

USER2500 112372.9 107.86%

地震波均值 125730.1 120.68%

振型分解法 104186.19

Y向 TH2TG040 134945.4 140.67%

TH3TG040 111277.6 116.00%

TH4TG040 142400.2 148.44

USER475 106042.1 110.54%

USER501 107314.9 111.86%

USER2500 106719.5 111.24%

地震波均值 118116.62 123.13%

振型分解法 95932.78

温度效应分析：

主屋面考虑+25°和-15°温差作用

主屋面应力图（+25°）

主屋面应力图（-15°）

3. 结论

（1）计算结果表明体育馆及游泳馆各项指标满足《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010要求。

（2）按照《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（粤建市函[2011]580号）本工程没有超限，不需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。