開封體育中心體育場結構設計

車順利， 張 耀， 賈俊明， 吳 琨， 曾凡生

(中國建筑西北設計研究院有限公司，西安 710018)

1 工程概況

開封體育中心是開封市重大民生工程，其建筑外形采用圓形平面，上大下小的弧線造型勾勒出了宋瓷“碗”形，體育場罩棚骨架及建筑表皮勾勒出了菊花花瓣意向。該設計有機地將菊花與宋瓷這些關鍵設計元素融入體育場建筑形態(tài)中，從而形成一個具有開封獨特標志性的“菊花瓷”體育場館。

開封體育中心項目包括體育場和綜合體育館兩個建筑單體，建筑效果圖見圖1。項目位于開封市龍亭區(qū)東京大道與十二大街交叉口東北角，場地所處地貌單元屬黃河沖積平原，場地土類型為中軟場地土，屬穩(wěn)定場地，地段類別為一般地段。

圖1 建筑效果圖

開封體育中心體育場總建筑面積約4.3萬m2，體育場主體主要由看臺空間和鋼結構罩棚兩部分構成，建筑構成示意見圖2。本工程不設地下室，東西向看臺共5層，標高約24.2m；南北向看臺共1層，標高約5.4m；鋼結構罩棚頂標高約38.5m。看臺觀眾座位約3萬座，看臺平面外圓內橢，外沿圓周半徑為117.2m，外柱網將圓周80等分?？磁_內圈環(huán)繞比賽場地呈橢圓形布置，看臺內側長軸99m，短軸73m。

圖2 建筑構成示意

依據相關設計條件，開封體育中心體育場設計相關參數見表1。按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1](簡稱荷載規(guī)范)，考慮體育場鋼結構罩棚結構對風荷載比較敏感，故風荷載按重現期R=100年考慮，基本風壓為0.50 kN/m2。場地粗糙度B類，風壓高度變化系數最大值μz取1.52(最高處離地面38.5m)；罩棚端部風振系數βz取2.0，罩棚根部及墻面風振系數βz取1.5，體型系數取1.3。雪荷載按重現期R=100年考慮，基本雪壓為0.35kN/m2。

結構的設計相關參數 表1

根據開封氣象局近30年統(tǒng)計數據和荷載規(guī)范，對基本氣溫給予修正，本工程考慮±26℃溫度作用。本項目基礎采用樁基+承臺基礎形式，依據地勘報告以第⑤層細砂作為樁端持力層。本工程樁基采用先張法預應力混凝土管樁PHC 500 AB100型，樁長20m，單樁豎向承載力特征值為1 200kN。依據甲方任務書及建筑觀眾席容量等指標，該體育場規(guī)模分級指標略大于小型等級指標，屬于中型體育場，依據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB/J 50223—2008)[2]第6.0.3條，該體育場抗震設防類別為重點設防類，但該工程不屬于大型的公共建筑。結合設計使用年限、結構破壞可能產生的后果以及相關的經濟指標，本工程安全等級取為二級。

2 結構設計分析

依據視線平面分級、分區(qū)要求，看臺東西高、南北低，首層平臺標高5.4m，看臺最高點至室外地面約24.2m。體育場看臺外覆蓋了圓環(huán)形結構罩棚，罩棚輪廓為半徑109.5m(下部)～134.5m(上部)的圓“碗”造型，上大下小，建筑形象猶如大平臺上放置的優(yōu)美菊花紋飾巨碗。罩棚頂面最外沿半徑為134.5m，中心圓形開口半徑為79.5m?？磁_罩棚頂面至室外地面約38.5m，由看臺外圈柱隔柱支托，共40個支點。

體育場看臺采用外圓內橢的平面布置，利用橢圓圓心放射線形成內柱網與外柱網相連，這既能保證比賽場地集約性，也能便于保證體育場外立面均勻、等距、規(guī)則的形態(tài)，從而形成規(guī)則有序的立面元素，有效地控制建筑形體的規(guī)則性。體育場罩棚菊花瓣通過標準單元沿360°的圓形路徑復制出80個完全相同的標準組件。建筑首層平面圖見圖3，建筑剖面圖見圖4，支座示意圖見圖5。

圖3 建筑首層平面布置示意

圖4 建筑剖面示意

圖5 支座示意圖

通過分析相關體育場館工程[3-8]，大多體育場館工程采用落地桁架，罩棚結構僅僅覆蓋看臺區(qū)。而本工程依據建筑特點，屋蓋罩棚除覆蓋看臺區(qū)，還要作為建筑外形骨架，同時柱頂支托兩側罩棚懸挑均較大，且桁架根部支點不落地。因此，本工程結構設計難點如下：1)鋼結構罩棚覆蓋面大，體型獨特；2)看臺為階梯型，沒有明顯的結構層，豎向剛度不均勻；3)鋼結構罩棚頂部支撐點采用隔柱支托，且南北看臺處柱高較大，罩棚根部支點不落地，支托于外圍看臺框架柱柱側；4)看臺及流線布置導致結構構件標高復雜；5)需保證上部屋蓋和下部看臺主體結構協(xié)同工作。

通過前期定案分析，本項目結構設計首先對鋼結構罩棚進行了單榀、整體模型的細化分析，罩棚結構模型見圖6。采用YJK和MIDAS Gen兩種不同力學模型的結構分析軟件，對結構進行整體分析，解決上述結構設計難點中的1，2，4，5相關問題，結構計算模型見圖7。通過看臺外沿圓周局部柱采用型鋼混凝土柱解決上述結構設計難點中2，3相關問題；通過精細化節(jié)點設計，解決上述結構設計難點中3，5相關問題。

圖6 罩棚結構模型

圖7 結構計算模型

通過結構分析，體育場主體結構采用鋼筋混凝土框架結構+空間管桁架結構?？磁_結構采用鋼筋混凝土框架結構，局部框架柱采用型鋼混凝土柱，屋蓋罩棚采用空間管桁架結構。鋼筋混凝土框架外沿框架柱間隔上升支托鋼結構罩棚。罩棚徑向為主桁架，采用倒三角鋼管桁架, 支座內外側懸挑長度分別為30，25m, 每榀約間隔10.8m, 共80榀，其中40榀(奇數軸)由型鋼混凝土柱頂的固定球支座連接，另外40榀(偶數軸)由支座處環(huán)向桁架支托，結構構件布置示意見圖8。

圖8 結構構件布置示意

罩棚徑向桁架高度由底部4m收至懸挑端1.3m；罩棚平面環(huán)向設置環(huán)向桁架和環(huán)向系桿，環(huán)向桁架為平面鋼管桁架, 屋面采用陽光板。考慮罩棚桁架網格分布，間隔一定間距設置環(huán)向桁架和系桿，結構平面整體均勻布置。考慮局部燈具或相關設備吊載，適當調整局部構件截面，但結構整體布置均勻對稱。設計中分別采用YJK和MIDAS Gen 兩種軟件對結構進行整體內力、位移計算。應用反應譜分析方法進行整體計算時，采用剛性樓板假定；構件設計時采用非強制剛性樓板假定。結構主要計算結果見表2，結構前3階振型見圖9。從表2和圖9可知，結構第1階振型和第2階振型為平動，第3階振型為扭轉，周期比約為0.69，小于《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[9]中周期比限值0.9。X,Y向結構有效質量參與系數均大于90%，滿足設計要求。

結構周期計算結果 表2

圖9 結構前3階振型

分別采用YJK和MIDAS Gen 兩種計算軟件，對本工程在地震以及風荷載作用下的響應進行了分析計算，結果見表3。從表3中可知，兩種計算軟件計算的結構動力特性結果基本接近，且各項指標均滿足規(guī)范[9-10]要求。

反應譜法地震、風荷載響應計算結果 表3

下部看臺結構采用鋼筋混凝土框架結構，南北向、東西向長度約235m，下部結構未分縫，屬于超長混凝土結構。結合施工因素并考慮混凝土的收縮徐變效應，設計中采用設置施工后澆帶，樓板采用現澆混凝土樓板，樓板厚度不小于200mm，雙層雙向配筋，每層各方向鋼筋的配筋率不小于0.30%。明確施工需采用跳倉法施工，同時對樓板進行有限元應力補充分析，見圖10。從圖中可得，受溫度影響，樓板應力分布不均勻。在施工圖設計時結合分析結果進行加強處理等措施，如：設置后澆帶、選擇合適水泥、嚴格控制坍落度、控制水泥用量、控制商品混凝土的水灰比、控制澆灌時間、提高養(yǎng)護質量等措施，減小混凝土收縮及溫度應力的不利影響。

圖10 樓板板頂升溫應力/(N/mm2)

3 關鍵節(jié)點設計

結合本工程建筑特點，鋼結構罩棚徑向采用空間管桁架，環(huán)向設置支托桁架和環(huán)向系桿，管桁架連接節(jié)點采用相貫連接，工廠或現場進行相關工藝評定，保證焊接質量。主桁架與看臺型鋼混凝土柱連接節(jié)點采用抗震球鉸支座以弱化溫度應力的影響，通過設計方案對比，對于主桁架支座節(jié)點，若采用焊接節(jié)點，由于節(jié)點加勁板較多，部分加勁板焊接困難，無法保證焊接質量。因此，主桁架支座節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點，見圖11。

圖11 主桁架支座鑄鋼節(jié)點

采用ABAQUS軟件進行主桁架支座鑄鋼節(jié)點有限元分析，相關分析工況同MIDAS Gen計算模型相關工況，依據計算結果，控制工況取工況1.0恒載+0.98活載+0.84風荷載+1.4溫度作用，分析了鑄鋼節(jié)點的承載力和變形性能，見圖12。

圖12 主桁架支座鑄鋼節(jié)點分析結果

從圖12可得，鑄鋼節(jié)點最不利應力約為140MPa，應力比約為0.61；鑄鋼節(jié)點最不利應力位置和變形主要發(fā)生在桿件外沿，節(jié)點變形很小。因此，本工程鑄鋼節(jié)點整體應力和變形不大，鑄鋼節(jié)點承載力符合受力要求，并具有一定的安全儲備。

對于環(huán)向桁架與徑向桁架支托處節(jié)點，該節(jié)點相交桿件眾多，為保證節(jié)點外型美觀且便于節(jié)點連接，設計中也對桁架支拖節(jié)點設計進行了方案選擇與分析，比較了焊接節(jié)點、鑄鋼節(jié)點、節(jié)點變斷面、節(jié)點加肋幾種不同的節(jié)點構造形式，見圖13。綜合考慮建筑效果、節(jié)點可靠性和安全性、節(jié)點的可實施性以及施工的便利性等因素，最終選擇了圖13(b)所示的鑄鋼節(jié)點形式。后文分析的桁架支拖節(jié)點模型見圖14，桁架支拖節(jié)點的應力與變形分析結果見圖15。

圖13 桁架支拖節(jié)點構造形式

圖14 桁架支拖節(jié)點模型

從圖15可得，桁架支拖節(jié)點最不利應力約為135MPa，應力比約為0.59；最不利應力位置和節(jié)點變形主要發(fā)生在桿件外沿，節(jié)點變形很小。因此，本工程桁架支拖節(jié)點整體應力和變形不大，桁架支拖節(jié)點承載力符合受力要求，并具有一定的安全儲備。

圖15 桁架支拖節(jié)點分析結果

通過結構計算分析可知，罩棚結構相關荷載主要傳導至圖5(a)或圖11節(jié)點，而圖5(b)節(jié)點會對框架柱產生一定的水平作用，考慮到該部位框架柱作為重要的豎向承重構件及抗側力構件，其承載力必須得到保障。因此，本工程在該部位框架柱均采用了型鋼混凝土柱，以提高構件承載力及延性。通過型鋼混凝土柱承載力驗算，控制該框架柱滿足承載力小震彈性、中震不屈服的設計要求。

4 結論

(1)對于該類型體育場建筑，結構主體采用鋼筋混凝土框架結構+空間管桁架結構易于滿足建筑體型和功能布置要求。

(2)該類型結構設計中，應加強關鍵節(jié)點設計及分析，在保證建筑造型的基礎上，節(jié)點構造應考慮可靠性、安全性以及節(jié)點的可實施性、施工便利性等因素。

(3)對于支托條件有限的柱網布置，支托鋼結構罩棚的框架柱建議采用型鋼混凝土柱，在便于支座連接的同時，易保證節(jié)點和框架柱的相關性能。

(4)對于帶有大屋蓋或懸挑罩棚的體育場館設計，應采取“先局部、后整體”的設計原則。

(5)在空間管桁架結構中，針對桁架桿件相交較多節(jié)點處，建議采用鑄鋼節(jié)點，易于保證建筑效果和節(jié)點的可靠性。

致謝：中國建筑西北設計研究院有限公司總工楊琦對本工程的設計提出了許多寶貴的意見及建議，周鵬洋、蔡建良等浙江大東吳集團建設有限公司深化團隊給予了本項目大力支持，在此一并表示感謝！