長(zhǎng)沙體育中心體育館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳平友, 陳文明, 彭志楨, 姚 麗, 溫殿偉, 吳鵬程

(1. 成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610021；2. 中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

1 工程概況

長(zhǎng)沙國(guó)際體育中心體育館為特大型甲級(jí)體育館，規(guī)模18 087座，總建筑面積97 800 m2，地上建筑面積94 800 m2，地下建筑面積3000 m2。地上主體6層，地下局部1層，地上屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高50.433 m。根據(jù)GB50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和GB 50010-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，體育館抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為一組。場(chǎng)地特征周期0.35 s，建筑場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)。體育館下部主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，由于建筑功能的需要，板與剪力墻的連接相對(duì)較弱，剪力墻設(shè)置間距較大，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

體育館平面投影呈一橢圓平面，外輪廓長(zhǎng)軸約252 m，短軸約203 m。在體育館7.600 m標(biāo)高以上，結(jié)構(gòu)平面投影約為164 m的圓(圖1)。屋蓋采用了雙向正交正放網(wǎng)架，內(nèi)支座跨度為114.1 m×145.1 m，周邊立面采用了平面桁架(圖2)。

圖1 體育館鳥(niǎo)瞰

圖2 體育館剖面

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和措施

2.1 大懸挑平臺(tái)

根據(jù)建筑功能的需要，在結(jié)構(gòu)第5層(20.700 m標(biāo)高)和6層(26.100 m標(biāo)高)需設(shè)置大懸挑平臺(tái)，在此平臺(tái)下方又不能設(shè)置結(jié)構(gòu)柱。因此結(jié)構(gòu)從第3層(12.000 m標(biāo)高)，設(shè)置斜柱，以支撐第5層、6層大懸挑平臺(tái)。在體育館看臺(tái)東西側(cè)區(qū)域，最上層看臺(tái)局部收臺(tái)，導(dǎo)致下部支撐看臺(tái)斜梁的部分柱不能直升上來(lái)支撐看臺(tái)斜梁，因此也設(shè)置斜柱。比賽場(chǎng)看臺(tái)尾部的周邊布置的混凝土大柱作為支撐鋼網(wǎng)架屋蓋的內(nèi)支座，此柱單柱懸臂高度比較高，為了增大該柱的承載力，將該柱設(shè)置為型鋼混凝土圖，如圖3。

圖3 斜柱布置示意

2.2 結(jié)構(gòu)16.350 m標(biāo)高不連續(xù)樓板

結(jié)構(gòu)16.350 m標(biāo)高處，由于建筑功能的需要，樓層?xùn)|西側(cè)區(qū)域不能設(shè)置樓板，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的樓板不連續(xù)。考慮到建筑在此標(biāo)高位置要設(shè)置建筑吊頂，設(shè)置水平桁架不影響建筑功能和使用，且能增加結(jié)構(gòu)水平傳力的連續(xù)性和結(jié)構(gòu)的整體性。因此在此處設(shè)置了水平桁架，且能有效的降低此處樓板不連續(xù)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題(圖4)。

圖4 16.350m標(biāo)高加水平桁架

2.3 預(yù)制看臺(tái)的設(shè)計(jì)

體育館看臺(tái)要做成預(yù)制構(gòu)件，為了保證構(gòu)件水平力傳遞連續(xù)性，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體作用，預(yù)制看臺(tái)兩端預(yù)先留出胡子筋，支承看臺(tái)的看臺(tái)斜梁上翻墩也預(yù)先留出胡子筋。在預(yù)制看臺(tái)構(gòu)件安裝完成后，將預(yù)制看臺(tái)支座處兩側(cè)端部的胡子筋和看臺(tái)斜梁的預(yù)留胡子筋澆筑連接在一起，形成整體(圖5、圖6)。

圖5 典型預(yù)制看臺(tái)平面連接構(gòu)造示意

圖6 預(yù)制看臺(tái)肋梁間現(xiàn)澆處理節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意(1-1)

看臺(tái)的環(huán)形走廊，為懸挑板式結(jié)構(gòu)，如果也做成預(yù)制構(gòu)件，不僅對(duì)支承該懸挑板的首排看臺(tái)環(huán)梁產(chǎn)生很大的扭矩作用，還要處理防止懸挑板向外傾覆帶來(lái)的連接構(gòu)造問(wèn)題。設(shè)計(jì)中，將懸挑板和首排看臺(tái)現(xiàn)澆，使首排看臺(tái)板的抗彎能力不小于懸挑板端部的彎矩，很好的處理了懸挑走廊板抗傾覆和首排看臺(tái)環(huán)梁抗扭問(wèn)題。由于是整體現(xiàn)澆，首排看臺(tái)環(huán)梁可以往上抬，梁底平走廊板底，首排看臺(tái)下方凈空抬高，可以更好的滿(mǎn)足建筑功能要求，見(jiàn)圖7。

圖7 首排看臺(tái)與懸挑走廊現(xiàn)澆構(gòu)造示意

2.4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體育館平面投影呈一橢圓平面，下部混凝土結(jié)構(gòu)在平面7.600 m標(biāo)高上，外輪廓長(zhǎng)軸約252 m，短軸約203 m。為了滿(mǎn)建筑功能和立面要求、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體的整體性，下部混凝土結(jié)構(gòu)不設(shè)置永久變形縫。因結(jié)構(gòu)平面超長(zhǎng)超寬，為控制溫度和混凝土收縮應(yīng)力，結(jié)構(gòu)采取設(shè)計(jì)和施工措施，減小或消除因溫度變化在超長(zhǎng)混凝土內(nèi)形成的拉應(yīng)力，以免體育館主體結(jié)構(gòu)因溫度或混凝土收縮變形開(kāi)裂形成有害的貫通裂縫。在設(shè)計(jì)上，考慮了混凝土收縮和溫度變化在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，以及混凝土收縮徐變和混凝土構(gòu)件開(kāi)裂導(dǎo)致構(gòu)件剛度下降的影響，同時(shí)考慮室內(nèi)外氣溫差值的變化，將構(gòu)件的拉應(yīng)力換算為等效溫度作用在結(jié)構(gòu)上，參考文獻(xiàn)[3]的計(jì)算方法。室內(nèi)：降溫-11.6 ℃，升溫5.4 ℃；室外：降溫-16.1 ℃，升溫9.4 ℃。

樓板按彈性膜計(jì)算，結(jié)構(gòu)采用考慮溫度作用效應(yīng)組合的內(nèi)力計(jì)算配筋。在設(shè)計(jì)上按一定間距設(shè)置施工后澆帶，并盡可能推遲后澆帶的封閉時(shí)間至3～6個(gè)月，以減少混凝土早期固結(jié)收縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。將梁、板鋼筋在后澆帶處盡量斷開(kāi)，后澆帶封閉時(shí)進(jìn)行搭接焊，減小混凝土收縮時(shí)鋼筋的約束影響。要求在梁、板后澆帶中，添加微膨脹劑和抗裂纖維，封閉后澆帶的大氣溫度為10～20 ℃，盡可能低溫封閉。

2.5 屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

體育館為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，共分為4個(gè)部分：

(1)看臺(tái)上方采用雙向正交正放平面網(wǎng)架，網(wǎng)架利用下部比賽場(chǎng)看臺(tái)尾部周邊布置的40根混凝土大柱，作為屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)多點(diǎn)支座，跨度為114.1 m×145.1 m。

(2)40個(gè)支座外側(cè)采用放射狀桁架。

(3)由于屋蓋網(wǎng)架平面與周邊豎向立面平面桁架不在一個(gè)平面，在屋蓋與立面交接處，設(shè)置一圈外環(huán)桁架作為屋面與立面桁架的轉(zhuǎn)換桁架。

(4)在立面采用60榀放射狀布置的平面桁架，桁架平面投影指向體育館投影面的圓心，同時(shí)又是外圍幕墻的主要受力支撐構(gòu)件。設(shè)計(jì)中，與建筑立面密切配合，利用幕墻材質(zhì)變化以及建筑線(xiàn)條在立面上的變化自然形成的分割線(xiàn)，設(shè)置環(huán)向平面桁架或立體桁架，有效的減小了豎向桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度。正交正放網(wǎng)架支座位于40根混凝土框架柱柱頂，采用彈性鉸支承。周邊立面60榀豎向平面桁架下端支承在結(jié)構(gòu)7.600 m的平臺(tái)標(biāo)高的柱頂或環(huán)形梁上，采用關(guān)節(jié)軸承支座。設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭能力和整體性，分別在屋頂局部區(qū)域支座上下弦處和立面桁架處設(shè)置剛性拉桿(圖8)。

圖8 屋蓋體系組成系統(tǒng)

屋蓋中間正交正放網(wǎng)架弦桿截面600 mm×350 mm×18 mm～600 mm×450 mm×35 mm矩管，腹桿350 mm×350 mm×10 mm～600 mm×350 mm×18 mm矩管，網(wǎng)格尺寸為9 m～11 m；放射桁架弦桿截面φ325 mm×8 mm～630 mm×24 mm，腹桿截面為φ219 mm×8 mm～ 325 mm×12 mm；轉(zhuǎn)換桁架弦桿截面φ325 mm×12 mm，腹桿截面φ245 mm×8 mm；立面豎向桁架弦桿截面尺寸為φ426 mm×9 mm～530 mm×12 mm，腹桿截面為φ203 mm×6 mm～ 245 mm×8 mm;立面環(huán)向桁架弦桿截面為φ245 mm×8 mm～ 377 mm×9 mm，腹桿截面為φ180 mm×6 mm～219 mm；剛性拉桿截面φ30 mm和φ40 mm。鋼屋蓋材料均采用Q345B，鋼拉桿采用強(qiáng)度等級(jí)為BLG725的不銹鋼拉桿。轉(zhuǎn)換桁架尺寸為3 m，立面桁架寬度為2.5 m。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)體系與建筑效果協(xié)調(diào)一致，且傳力途徑簡(jiǎn)潔明了。屋面荷載沿著中間網(wǎng)架向四周傳遞，到達(dá)周邊混凝土看臺(tái)柱處時(shí)，一部分向下傳遞給混凝土看臺(tái)柱，一部分沿著放射桁架繼續(xù)傳遞，通過(guò)轉(zhuǎn)換桁架，順暢傳遞到立面桁架。

3 其他主要設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目屋蓋體量、跨度均較大，體型新穎，還進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)計(jì)算工作。

3.1 抗震性能設(shè)計(jì)

本工程將下部混凝土主體結(jié)構(gòu)和上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行總裝，在屋蓋上部與柱連接處設(shè)置彈性支座；周邊立面鋼桁架下端與7.600 m標(biāo)高平臺(tái)相連的地方設(shè)置關(guān)節(jié)軸承支座，采用整體分析模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。根據(jù)建筑的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本工程抗震性能目標(biāo)為C級(jí)[4]。結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、支撐鋼屋蓋柱及斜柱以及鋼屋蓋支座附近的弦桿及腹桿定位關(guān)鍵構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)彈性階段(多遇地震)的設(shè)計(jì)分析采用PMSAP、YJK、MidasGen計(jì)算，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比(表1，表2)。其他關(guān)鍵參數(shù)，如剛重比、剪重比、基底剪力、樓層受剪承載力比、樓層側(cè)向剛度比、層間位移等，用PMSAP、YJK分析對(duì)比，結(jié)果也比較一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)模型分析準(zhǔn)確。采用軟件SAUSAGE進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。

表1 荷載對(duì)比

通過(guò)對(duì)體育館進(jìn)行的彈性、彈塑性的靜力和動(dòng)力分析，表明結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足設(shè)定的性能目標(biāo)要求。

3.2 抗連續(xù)倒塌驗(yàn)算

體育館中40根型鋼混凝土立柱支撐著大跨度屋蓋，另外靠近支座的腹桿，弦桿屬于關(guān)鍵構(gòu)件，在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中起著重要作用，若這幾個(gè)構(gòu)件失效可能引起結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌，

表2 結(jié)構(gòu)周期比

可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果，因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)倒塌分析。根據(jù)CECS 392: 2014《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，整體結(jié)構(gòu)模型分別考慮拆除1個(gè)支撐柱、拆除2個(gè)支撐柱、拆除靠近支座的下弦桿、拆除支座的腹桿后，對(duì)鋼屋蓋進(jìn)行驗(yàn)算。從應(yīng)力角度，幾個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件拆除后，最大應(yīng)力為282.9 MPa，僅局部相關(guān)部位構(gòu)件應(yīng)力稍有增大,且均小于屈服強(qiáng)度。其他部位構(gòu)件應(yīng)力水平均較低處于彈性狀態(tài)。故而幾個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件的失效或拆除不會(huì)導(dǎo)致屋蓋的集體失效而倒塌。

3.3 鋼屋蓋分析

將鋼屋蓋與下部主體結(jié)構(gòu)脫離，下部主體結(jié)構(gòu)對(duì)鋼屋蓋約束的剛度提供給鋼屋蓋。采用MidasGen進(jìn)一步分析鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在靜力、溫度作用、地震和風(fēng)組合各種工況下的內(nèi)力和變形情況，各構(gòu)件均滿(mǎn)足設(shè)定的性能目標(biāo)要求。設(shè)計(jì)中，對(duì)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體穩(wěn)定分析，考慮結(jié)構(gòu)的雙非線(xiàn)性，采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)在3種荷載工況下的特征值，分別為：①恒載+1.0活載；②1.0恒載+1.0西半跨活載；③1.0恒載+1.0南半跨活載。①工況作用下，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為4.99；②工況作用下，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為6.78；③工況作用下，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為6.31，均大于規(guī)范規(guī)定的2.0[6]，且有較大富裕，滿(mǎn)足規(guī)范要求。雙非線(xiàn)性穩(wěn)定分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)中還對(duì)各種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，各種應(yīng)力和指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)沙體育中心體育館由于建筑功能和立面的需要，設(shè)計(jì)中遇到了較多的專(zhuān)業(yè)難題并要妥善的處理，對(duì)大懸挑結(jié)構(gòu)、樓板不連續(xù)、預(yù)制看臺(tái)、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、大跨鋼屋蓋平面轉(zhuǎn)換等在設(shè)計(jì)中采取了有效的處理辦法。同時(shí)采用多個(gè)模型和軟件對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能、防連續(xù)倒塌、屋蓋整體穩(wěn)定等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了仔細(xì)的計(jì)算分析，滿(mǎn)足設(shè)定的性能目標(biāo)和相關(guān)規(guī)范要求。

注：本文第一作者是在中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司工作期間做的本項(xiàng)目，同時(shí)皮孝建、程偉、黃步菘、李占濤等同志也參與了本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，在此表示感謝。