某中型體育館的設(shè)計與探討

劉玉峰

（中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，蚌埠 233018）

隨著奧運(yùn)會的成功申辦，體育運(yùn)動在我國得到越來越廣泛的普及。全國各地興建了大量的體育場館，健身運(yùn)動也越來越得到全國人民的重視。隨著中國城市化的快速發(fā)展，還將有越來越多的地方會興建自己的體育場館和體育中心。由于體育建筑具有其自身的特殊性，沒有經(jīng)驗的人初次設(shè)計往往會遇到一些難題或者考慮不周的地方。筆者有幸設(shè)計了一座中型體育場館，積累了一些設(shè)計經(jīng)驗，在這里與大家一起分享。

1 工程簡介

該體育館位于某市新城區(qū)大學(xué)城內(nèi)，是一個具有5 000座位的多功能的綜合性體育館，可進(jìn)行籃球、排球、羽毛球、手球等項目的比賽，也可進(jìn)行大型集會、文藝演出、體育教學(xué)和訓(xùn)練等。該工程總建筑面積約為14 000m2，其中比賽大廳約6 000m2，訓(xùn)練室約800m2。在5m 標(biāo)高處設(shè)有1層樓面，將看臺分為上下兩部分看臺，同時在1層樓面及首層看臺的下面設(shè)有訓(xùn)練室、運(yùn)動員休息室、貴賓室、采訪室、辦公用房、衛(wèi)生間及設(shè)備用房等。1層樓面主要為疏散、活動場所，2層看臺設(shè)有衛(wèi)生間和設(shè)備用房。在10.78m 標(biāo)高局部設(shè)有控制室，建筑總高度24m。整個體育場館的屋蓋結(jié)構(gòu)由周圈鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框排架支撐，室內(nèi)所有看臺和樓面均為混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，屋蓋為75.1m×75.1m 雙向正交正放預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架。該工程現(xiàn)場實景圖，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)體系選型

由于體育館使用功能對大空間、大跨度及靈活布置的要求，在該建筑中形成了大空間、大平臺、大臺階等多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組合。

1）下部結(jié)構(gòu)：支撐看臺和樓面的部分采用常見的混凝土框架結(jié)構(gòu)，1層樓面以上因大空間要求采用框排架結(jié)構(gòu)支撐屋蓋體系。

2）屋蓋體系：由于整個比賽場館全部在1個大屋蓋之下，2個方向跨度為75.1m×75.1m，跨度很大。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)形式及建筑要求，采取網(wǎng)架是最好的選擇。如果采用四角錐網(wǎng)架，用鋼量較為節(jié)省，但必須采用雙層網(wǎng)架才能夠滿足安全要求，這樣導(dǎo)致屋蓋拱高過大，最高處會達(dá)到6m，從而使得屋蓋高度與室內(nèi)凈空的比值過大，使人感覺非常壓抑；同時，由于屋面采用玻璃采光頂，雙層四角錐網(wǎng)架桿件太多，透光效果也不太好。經(jīng)過對照比較，最后決定采用雙向正交正放預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架，雖然用鋼量有所增加，但是采用預(yù)應(yīng)力能夠有效的減少屋蓋的拱高和撓度變形；同時，屋蓋桿件的用量也有效地降低，既能滿足建筑感官效果，也能更好的滿足采光要求。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 計算基本假定

1）混凝土部分由于樓面開有大孔洞，且各部分標(biāo)高也有變化、不統(tǒng)一，因此不采用各層樓板處剛度無限大的假定，應(yīng)將各層樓板作為板單元參與計算。

2）網(wǎng)架支座按滑動鉸支座考慮，屋蓋的所有節(jié)點處的桿件連接均按剛接考慮（除支撐與屋蓋連接處）。

3.2 計算模型

此次計算模型，見圖2、圖3。

3.3 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

抗震設(shè)防烈度：7度（0.10g），Ⅱ類，1組。

溫度變化范圍：T＋＝＋30 ℃，T－＝－30 ℃。溫度線膨脹系數(shù)，取1.2×10－5。

主要荷載組合：

1）1.20 恒載＋1.40 活載工況1；

2）1.20 恒載＋1.40 風(fēng)載工況（下壓風(fēng)）；

3）1.00 恒載＋1.40 風(fēng)載工況（上吸風(fēng)）；

4）1.20 恒載＋1.40×0.90 活載工況1 ＋1.40×0.90 風(fēng)載工況（下壓風(fēng)）；

5）1.20 恒載＋1.20×0.50 活載工況1 ＋1.30 水平地震；

6）1.20 恒載＋1.40×0.70 活載工況1 ＋1.40×0.80 溫度荷載。

4 結(jié)構(gòu)計算

設(shè)計時需要考慮樓板開大洞的不利影響，加之屋頂網(wǎng)架由于溫度變形受限而在支承柱頂產(chǎn)生很大的水平推力，而框架柱的側(cè)移又直接影響到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中桿件的內(nèi)力分配，兩者相互影響。如何將網(wǎng)架與混凝土框架作為一個整體進(jìn)行分析是本工程的一大難點。目前的SATWE 程序無法做到這一點，一般的網(wǎng)架設(shè)計程序也不能對混凝土結(jié)構(gòu)作出準(zhǔn)確的分析。但考慮到網(wǎng)架對混凝土結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)主要限于支承柱和環(huán)梁，對樓層梁應(yīng)無太大的影響。因此，在設(shè)計時首先對屋架進(jìn)行簡化，用剛度相等的鋼梁將屋面荷載傳導(dǎo)給下部結(jié)構(gòu)，再用SATWE程序?qū)?～3層混凝土主體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計計算。由于看臺部分為斜梁，SATWE 程序難以準(zhǔn)確模擬，又抽取單榀框架用PK 程序?qū)π绷汉椭M(jìn)行復(fù)核，再用網(wǎng)架計算程序3D3D 對屋架進(jìn)行設(shè)計，計算時將下部結(jié)構(gòu)按實際情況輸入以考慮支座剛度的影響?？紤]的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、屋面板重量、吸聲保溫材料、馬道、燈具、音響等恒載，活荷載，風(fēng)荷載，雪荷載，溫度作用和水平地震作用。選取21種工況組合進(jìn)行分析，同時亦考慮了活荷載的不利布置對結(jié)構(gòu)的影響，最后采用Midas軟件對鋼結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行校核。

計算結(jié)論：

1）在恒載和活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下結(jié)構(gòu)最大撓度103mm，為跨度的1／730，變形滿足要求；

2）下弦鋼絞線最大拉應(yīng)力518 MPa，最小拉應(yīng)力288 MPa，滿足要求；

3）鋼結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力106 MPa，最大壓應(yīng)力139 MPa，在程序中對鋼結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行設(shè)計驗算，桿件應(yīng)力比均小于1，滿足要求；

4）地震作用產(chǎn)生的應(yīng)力很?。ㄗ畲? MPa），不起控制作用。

5 設(shè)計中應(yīng)該注意的幾處地方

1）大部分體育館平面尺寸都十分巨大，經(jīng)常出現(xiàn)超長的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

為了防止由于溫度變化和混凝土的收縮而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，通常采用以下幾種措施：（1）混凝土澆筑設(shè)置后澆帶分段進(jìn)行施工。（2）采用專門的預(yù)應(yīng)力措施來防止混凝土開裂。（3）采取能減小混凝土溫度變化或者補(bǔ)償溫度收縮的措施。

該工程混凝土部分平面形式為正方形，每邊長度為76m，屬于超長結(jié)構(gòu)。由于混凝土結(jié)構(gòu)部分基本全處于室內(nèi)，且考慮結(jié)構(gòu)平面較為規(guī)整，因此采用每邊設(shè)兩道UEA－H 膨脹加強(qiáng)帶來解決混凝土的溫度收縮問題，加強(qiáng)帶處的梁板均進(jìn)行加強(qiáng)處理，施工完畢后起到了不錯的效果，經(jīng)過一個冬夏循環(huán)未見結(jié)構(gòu)平面產(chǎn)生收縮裂縫。

2）暖風(fēng)的新風(fēng)系統(tǒng)在看臺的支撐梁上要開很多直徑為150mm 的出風(fēng)孔，如圖4所示。

這些開孔使梁的剛度產(chǎn)生了改變，從而使得梁的內(nèi)力也發(fā)生了一定的變化。通過Ansys軟件對開孔梁與無開孔梁的對照模擬分析，可知開孔梁的撓度以及內(nèi)力均比未開孔的梁有所增大，增加幅度在15%～25%之間。因此在設(shè)計中，開孔的位置應(yīng)當(dāng)盡量放在梁的中和軸所在區(qū)域，且看臺支撐梁的配筋和構(gòu)造也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。在靠近支座的部位由于剪力比較大應(yīng)減少開孔以減少孔洞對梁的抗剪承載力的削弱。作者的經(jīng)驗是在普通支撐梁的支座每邊1／6范圍內(nèi)不開孔，僅在跨中2／3范圍內(nèi)進(jìn)行開孔。對于既是看臺梁又是框架梁的梁應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)格的控制開孔，以免對結(jié)構(gòu)體系造成較大的削弱。對于這種梁，作者建議僅在箍筋的非加密區(qū)進(jìn)行開孔。看過一些別的體育場館的設(shè)計，有的設(shè)計者在看臺梁上開滿了孔洞，有的孔洞甚至開到了支座邊上，作者認(rèn)為這樣設(shè)計是很不合理的，應(yīng)當(dāng)和暖風(fēng)工程師進(jìn)行商討以避免出現(xiàn)這樣的情況。

3）該工程的設(shè)計中第2層看臺梁的下端位于1層框架梁與柱的交接部位，對框架梁的支座部位產(chǎn)生了很大的豎向剪力。為了解決1層梁的抗剪承載力，又不影響結(jié)構(gòu)的外觀，梁的內(nèi)部設(shè)置鋼骨進(jìn)行抗剪，起到了很好的效果。

4）支座的設(shè)計。針對該工程的結(jié)構(gòu)形式的特點，考慮屋架的施工采用滑移的方法，在結(jié)構(gòu)剛度較大的兩端支撐梁上設(shè)置了Q70的通長滑軌，以便施工時的滑移安裝。同時，這些滑軌在安裝結(jié)束后又將作為支座來支撐上部結(jié)構(gòu)，因此該工程特別設(shè)計了支座來滿足該工程的要求。支座設(shè)有彈簧，用來協(xié)調(diào)屋架的豎向變形，以免因豎向變形對屋架支座處的桿件產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。在支座的支撐部位也留有一定的空隙，使得屋架的溫度變形能夠得到一定的釋放，以免在桁架的下弦端部桿件產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力。支座示意圖，如圖5所示。

5）屋架的設(shè)計中考慮1個方向的屋架為整體式，另外1個方向的屋架拆解為桿單元，在現(xiàn)場進(jìn)行連接將每2榀屋架拼裝成1個單元后進(jìn)行整體滑移。節(jié)點單元的做法，如圖6所示。對于這樣大跨度的空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)在跨中增設(shè)1道滑軌，作為1個支撐點來控制屋架跨中在拼裝和預(yù)應(yīng)力張拉前不產(chǎn)生向下的位移，以保證內(nèi)力與設(shè)計的一致性，從而能保證在拆除支撐后2個方向的桁架能夠達(dá)到很好的協(xié)同受力。

6 總結(jié)與思考

1）目前大跨度結(jié)構(gòu)的跨度尚沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》將60m 以上的結(jié)構(gòu)定義為大跨度結(jié)構(gòu)，計算和構(gòu)造均有特殊規(guī)定。對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案的確定和結(jié)構(gòu)計算模型的選取是結(jié)構(gòu)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，一般情況下需要作2次分析，一是屋蓋體系鋼結(jié)構(gòu)分析，要注意模擬下部結(jié)構(gòu)支座剛度；二是和下部結(jié)構(gòu)（可能是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)等）整體合模計算分析。

2）因為結(jié)構(gòu)計算中采用了剛節(jié)點模型，桿件也承受了一定數(shù)量的次生彎矩，尤其是弦桿，影響彎矩大小的因素主要為重力作用及溫度作用。與之相對應(yīng)，我們對弦桿交叉點處進(jìn)行局部加強(qiáng)并保證在一定的范圍內(nèi)桿件能夠有足夠的受彎承載力。

3）盡管是大跨結(jié)構(gòu)，因為處于7度抗震區(qū)，豎向地震力對屋架影響可以忽略。隨著屋架面積的增加，水平地震作用對桿件軸力及彎矩的影響從10%～30%逐步增加。在抗震分析時，總體上，運(yùn)用連帶混凝土結(jié)構(gòu)計算模型的結(jié)果要比使用單獨的屋架分析要大。這說明屋架位于高處時，應(yīng)考慮下部支承構(gòu)件的慣性效應(yīng)，將屋蓋結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，按共同工作分析。

4）將水平支撐加入整體計算是必要的，因為實際的支撐是參與結(jié)構(gòu)共同作用的。僅從構(gòu)造上或使用抗震計算結(jié)果來確定構(gòu)件斷面及連接是不安全的，尤其對于大跨度結(jié)構(gòu)。

5）計算結(jié)果表明以恒載、風(fēng)荷載及溫度作用為主的荷載組合起控制作用，地震作用及活載的影響相對較小。需要注意的是對于大跨度體型特殊的建筑，半跨活荷載對結(jié)構(gòu)的影響非常大，一定要注意進(jìn)行活荷載不均勻分布的驗算。

6）在傳統(tǒng)的空間鋼結(jié)構(gòu)體系上采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以通過改善桿件內(nèi)力峰值或提高剛度來達(dá)到節(jié)省鋼材、減少變形的作用。該工程經(jīng)過施加預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力屋蓋的計算比較，采用預(yù)應(yīng)力屋蓋，用鋼量節(jié)省12%，總造價降低5%，且屋架的豎向變形得到了較好的控制。

7）普通鋼結(jié)構(gòu)一般只有在超荷載狀態(tài)下才發(fā)生破壞，在卸載狀態(tài)下是不會有問題的。而預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)不但在超荷載狀態(tài)下會發(fā)生破壞，而且在不恰當(dāng)?shù)男逗奢d狀態(tài)下和預(yù)應(yīng)力鋼絞線發(fā)生破壞時也會發(fā)生突發(fā)性的破壞，非常危險。因此預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在使用中需要返修屋面或者拆除更換一些構(gòu)件時必須按照修建時所施加預(yù)應(yīng)力的反次序，先卸除荷載，再卸除一部分預(yù)應(yīng)力。由部分預(yù)應(yīng)力破壞時所造成的危害比較有限，但整體性的預(yù)應(yīng)力破壞所造成的危害是極為嚴(yán)重的，由于其特殊性，應(yīng)當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)。

8）對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，可采用構(gòu)造釋放和加強(qiáng)剛度2種方法解決溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利影響。由于溫度作用對靠近支座部分的桿件影響很大，溫度應(yīng)力起到控制作用。雖然增加支座約束對抵抗地震力及重力作用是有利的，但是過強(qiáng)的約束不但會在構(gòu)件中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，且對支座產(chǎn)生很大的剪力，在設(shè)計中這是一對矛盾現(xiàn)象。因此在設(shè)計中應(yīng)對不同的支座布置進(jìn)行優(yōu)化分析比較，選用實用合理的支座，盡可能做到理論計算模型和實際相符。

9）對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工階段的驗算是非常必要的，若采用了不恰當(dāng)?shù)氖┕し桨?，會造成受力模型的改變，從根本上影響結(jié)構(gòu)的安全度。

［1］GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JGJ 7—91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程［S］.