韓國(guó)新建的兩座體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2001-07-10 17:51:26田鳳秀李宰赫孔道煥

建筑創(chuàng)作 2001年4期

（韓國(guó)）田鳳秀　李宰赫　孔道煥

韓國(guó)作為國(guó)際足聯(lián)2002年世界杯韓國(guó)和日本兩個(gè)舉辦國(guó)之一，計(jì)劃新建10座高標(biāo)準(zhǔn)體育場(chǎng)。其中三座現(xiàn)已完成并已用于2001年國(guó)際足聯(lián)聯(lián)合會(huì)杯賽事，另七座正在施工之中。10座體育場(chǎng)分別建在韓國(guó)的10個(gè)城市，包括：濟(jì)州、金州、仁川、光州、釜山、漢城、水原、大邱和蔚山。

2002年世界杯首場(chǎng)賽將在漢城舉行，

決賽將在日本的橫濱進(jìn)行。

田宇構(gòu)造結(jié)構(gòu)工程師事務(wù)所有幸參與了濟(jì)州和釜山體育場(chǎng)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將兩座新建的體育場(chǎng)簡(jiǎn)介如下。

濟(jì)州2002年世界杯足球賽體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濟(jì)州體育場(chǎng)位于韓國(guó)濟(jì)州島的西歸浦市(Seoguipo)，由韓國(guó)豐林建設(shè)(Poonglim & Construction)、一建建筑師事務(wù)所(II-kun Architect)和田宇構(gòu)造結(jié)構(gòu)工程師事務(wù)所(Jeon and Associates,JAA)與美國(guó)Weidlinger Associates Inc.合作設(shè)計(jì)。體育場(chǎng)地上4層，地下2層，擁有42 000個(gè)座位。西看臺(tái)屋蓋為空間桁架，屋面為索膜結(jié)構(gòu)，整個(gè)屋蓋由6根桅桿及鋼索牽拉著。屋蓋下方的座位區(qū)可滿足國(guó)際足聯(lián)的比賽要求。

由于地形的特殊性，比賽場(chǎng)低于地面并將看臺(tái)沿周邊排列，以減少土方工作量。建筑物高度的控制是由體育場(chǎng)的最佳整體效果來(lái)控制的。

體育場(chǎng)的建筑形式體現(xiàn)了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)漁船“Teu”的形象。覆蓋著體育場(chǎng)一側(cè)的半月形屋蓋，其徑向桁架連接著前后桁架，并由桅桿上的鋼索牽拉著?？磁_(tái)結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)是脫開的，以減小所有荷載組合在一起后引起的不可預(yù)料的應(yīng)力。(圖3)

⒈屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其作用

⑴前桁架及徑向桁架的場(chǎng)內(nèi)端頭用于有效地抵抗風(fēng)吸力。連接在桅桿上的鋼索承擔(dān)重力荷載和正向風(fēng)荷載。

⑵后桁架用作約束徑向桁架場(chǎng)外端頭并傳遞屋蓋荷載至主徑向桁架。

⑶帶懸臂的徑向桁架由圓形鋼管組成，它起到連接前、后桁架的作用。

⑷由三種構(gòu)件組成的系桁架，除了支承屋蓋荷載外，還具有控制主桁架結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的功能。

⑸位于屋蓋場(chǎng)內(nèi)端頭的前緣桁架，用作抵抗風(fēng)吸力。

⑹桅桿是支撐屋蓋結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，它由不同直徑的變截面鋼管構(gòu)成。6根高度不等的桅桿(80m/60m/40m)支撐著整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)。

⑺拉索及邊索固定在桅桿的頂部。一根拉索（∮82.5）支撐著屋蓋的前端，而后端兩根邊索（∮69.8）支撐著屋蓋的后端。

⑻用于牽拉桅桿的牽拉索應(yīng)緊緊地固定在錨固件上。牽拉索是用作平衡屋蓋結(jié)構(gòu)荷載的。

⑼支撐薄膜的四面體索桁架包括四根底部鋼索、四根頂部鋼索和壓桿。四根底部鋼索用于控制主桁架側(cè)向位移并起著次結(jié)構(gòu)的作用。

⑽覆蓋在徑向桁架和連接桁架上的薄膜應(yīng)設(shè)計(jì)成最穩(wěn)定的弧形屋面。薄膜是由PTFE及玻璃纖維制成的。承擔(dān)外荷載的薄膜要求具有適當(dāng)?shù)那?，薄膜曲面通常具有兩個(gè)垂直曲率用以承擔(dān)反方向的荷載。

⒉屋蓋結(jié)構(gòu)

⑴體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的分析及設(shè)計(jì)

本工程采用了三個(gè)非線性三維有限元分析程序，它們是：由BIRDAIR有限公司開發(fā)的BLD3D和MCM程序以及商業(yè)通用程序LARSA。三個(gè)程序都能用于索屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何非線性分析。BLD3D和MCM程序僅用于分析靜荷載作用下的膜單元構(gòu)件。LARSA程序用于完成動(dòng)力分析并給出每個(gè)振型。

Weidlinger Associate Inc.(WAI)在設(shè)計(jì)中采用了以下三個(gè)主要步驟：

①利用LARSA進(jìn)行初步分析和設(shè)計(jì)。

②根據(jù)初設(shè)的結(jié)果，WAI利用MCM對(duì)均布風(fēng)荷載作用下的半跨計(jì)算模型進(jìn)行了分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，為桁架和鋼索選擇最佳的構(gòu)件尺寸。

③根據(jù)上述分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果，WAI利用BLD3D對(duì)不對(duì)稱風(fēng)荷載作用下的全跨計(jì)算模型上進(jìn)行最后的分析，并根據(jù)規(guī)范對(duì)構(gòu)件進(jìn)行核算。

④動(dòng)力分析由LARSA完成。本工程的自振頻率為4.9Hz，超出了1.5～3.4Hz的共振頻率。通過(guò)動(dòng)力分析，了解體育場(chǎng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，保證設(shè)計(jì)方案的安全和經(jīng)濟(jì)性。

⑵體育場(chǎng)屋面索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

體育場(chǎng)屋面的索膜設(shè)計(jì)采用了MCM程序。索膜是按每個(gè)單元單獨(dú)分析的，每一單元約束在徑向桁架和前、后桁架上。每一單元包括膜、懸空壓桿、吊索、脊索和谷索。索膜的計(jì)算模型其邊界條件按固定考慮。

⑶風(fēng)洞試驗(yàn)

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，正風(fēng)壓系數(shù)的最大值和平均值分別為2.74和0.88，而負(fù)風(fēng)壓系數(shù)的最大值和平均值分別為-5.47和-1.82。室外裝飾物設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載，正風(fēng)壓為3.18KN/m2，負(fù)風(fēng)壓為-6.35KN/m2。結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載，向下方向?yàn)?.02KN/m2，向上方向?yàn)?2.11KN/m2。風(fēng)環(huán)境評(píng)估試驗(yàn)表明當(dāng)G.F值設(shè)定為2.0時(shí)，體育場(chǎng)內(nèi)達(dá)到了辦公樓的標(biāo)準(zhǔn)。

⒊屋頂桁架的錨固及鋼索基座

⑴屋頂桁架的錨固

風(fēng)吸力產(chǎn)生的側(cè)向反力為4 160KN，拉力為1 160KN。這些反力由3 600t的混凝土錨固件以及土壤的摩擦力來(lái)共同抵抗。

⑵鋼索基座

正風(fēng)荷載產(chǎn)生的側(cè)向反力為690KN及200KN，拉力為1 900KN?；炷铃^固件自重為400t用于抵抗這些反作用力。

⒋屋蓋結(jié)構(gòu)的安裝順序

⑴桁架構(gòu)件的組裝

桁架所有桿件制作后運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)。徑向桁架的場(chǎng)內(nèi)段(T1-6，T1-6)在球場(chǎng)上拼裝，徑向桁架的場(chǎng)外段則在體育場(chǎng)外拼裝。當(dāng)裝配好的徑向桁架擱置在臨時(shí)支柱上時(shí)，開始組裝桁架和前桁架。

表示了區(qū)域1的安裝順序，其中1-1分區(qū)的構(gòu)件號(hào)為：

①T10和T8

②后桁架

③前桁架

④T9

⑤系桁架和前緣桁架

⑥按同樣步驟安裝1-2分區(qū)構(gòu)件

⑵桅桿的安裝

屋頂桁架組裝完成后，開始桅桿的安裝。桅桿安裝的第一步是，第一段桅桿就位后用牽索進(jìn)行臨時(shí)固定。第二步是將第二段桅桿就位并與第一段相接，第二段的頂部用牽索臨時(shí)固定。桅桿組裝的第3～5步同第二步。

⒊鋼拉索的安裝固定

桅桿安裝完成后，按以下步驟固定拉索：

①用起重機(jī)吊升鋼索。

②用液壓千斤頂提起徑向桁架。

③用鋼銷連接桅桿和桁架后，將桁架降至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

④采用固定裝置拉緊鋼索。

安裝牽拉鋼索時(shí)，先將鋼索連接在桅桿的頂部，然后用卷?yè)P(yáng)機(jī)拉緊鋼索。

（徐曉梅譯）

釜山2002年世界杯足球賽體育場(chǎng)鋼索薄膜屋蓋

⒈前言

韓國(guó)釜山正在為2002年世界杯足球賽建造一個(gè)可容納7.1萬(wàn)名觀眾的體育場(chǎng)。它最初是為2002年亞運(yùn)會(huì)設(shè)計(jì)的，為適用于多種比賽，屋蓋結(jié)構(gòu)采用了可縮進(jìn)的三角形拉撐穹頂。后來(lái)，按照釜山市要求，該場(chǎng)還要用作2002年世界杯足球賽場(chǎng)，由于原設(shè)計(jì)的屋蓋開洞太小，不滿足國(guó)際足聯(lián)要求場(chǎng)地草坪具有充分日照。因此，屋頂結(jié)構(gòu)改用索膜體系，中間橢圓形洞口尺寸為180m×152m，代替原設(shè)計(jì)的直徑為120m的洞口。新的屋蓋結(jié)構(gòu)，由上、下兩層環(huán)形鋼索和48根徑向索桁架組成。徑向索桁將上、下環(huán)形鋼索連接在一起。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)支承在外圈四周鋼筋混凝土斜柱及鋼壓力環(huán)梁上。

新屋蓋結(jié)構(gòu)體系，由德國(guó)斯圖加特Schlaich Bergermann und Partner公司設(shè)計(jì)，由韓國(guó)漢城田宇構(gòu)造結(jié)構(gòu)工程師事務(wù)所（Jeon and Associates）協(xié)調(diào)審定，并根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)的變化，重新核定了混凝土框架系統(tǒng)及其安全性。

屋頂呈圓形，直徑為228m。支撐結(jié)構(gòu)由48根人形斜柱和垂直混凝土柱組成。屋面面積為20 000m2，橢圓開洞長(zhǎng)軸為180m，短軸為152m。屋架高度長(zhǎng)向?yàn)?3.6m，短向?yàn)?1.6m。屋頂鋼索與其下部的支撐鋼筋混凝土柱相對(duì)應(yīng)，分成48個(gè)部分。

⒉索桁結(jié)構(gòu)

鋼壓力環(huán)梁由寬為1 400mm、高為1 200mm～750mm、鋼板厚度為30mm的梯形鋼管構(gòu)成。壓力環(huán)梁座在混凝土柱頂上并與斜鋼柱連接。環(huán)梁和柱的連接處采用了14根直徑為36mm的預(yù)應(yīng)力合金鋼筋，每根施加700kN預(yù)應(yīng)力。

索桁由環(huán)索、徑向索、垂直索和立柱組成。洞口周圍的內(nèi)側(cè)布置了二道拉力環(huán)。上拉力環(huán)由三根直徑為71mm鋼索構(gòu)成，下拉力環(huán)由三根直徑為94mm鋼索構(gòu)成。

2×48mm徑向鋼索連接斜柱和內(nèi)索環(huán)。徑向索的尺寸依實(shí)際荷載而不同。上層徑向索直徑為43mm～52mm，52mm～68mm。南北長(zhǎng)25m，東西長(zhǎng)39m。垂直索直徑為18mm。立柱采用直徑為355mm、壁厚為25mm的鋼管。索桁剖面示意。

所有接頭卡具和連接鋼索均為鋼鑄件，使連接件能按受力大小成形，且保證了鋼索具有光滑的彎曲半徑。

⒊膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)由48個(gè)單元組成。每個(gè)單元支承在2個(gè)相鄰的上層徑向索以及上層環(huán)索及鋼壓力環(huán)上。帶拉索的鋼管拱、跨在兩個(gè)徑向索之間。拱跨度為10.64m～13.6m。特制的鋁連接件附在拱的上面，將膜固定，并將膜的提升力傳到拱上。這種連接也傳遞側(cè)向力。

跨度達(dá)13.6m的拱自重僅100Pa。前、后膜邊呈圓形，用柔性細(xì)鋼索加應(yīng)力。徑向膜單元邊緣用金屬板帶住，金屬板帶固定在徑向鋼索上，從而平衡水平切向力。有一層輔助膜焊在主單元上，搭縫連接，使徑向連接密封防水。薄膜接縫沿放射方向，既美觀又節(jié)省材料。PVC涂層聚酯膜，上下表面加含氟高分子保護(hù)層，最低透明度8%。薄膜厚度0.8mm，允許張力5 800N/5cm。

⒋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力屋架經(jīng)風(fēng)載和雪載試驗(yàn)。風(fēng)載是通過(guò)加拿大安大略省RWDI試驗(yàn)室詳細(xì)風(fēng)洞試驗(yàn)后確定的。鋼索結(jié)構(gòu)后部和前部風(fēng)載分別為0.25kPa和1kPa，膜結(jié)構(gòu)風(fēng)載為0.75kPa～2.0kPa。雪載按韓國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定為0.55kPa。給出了各種荷載下的最大位移，其中靜荷載作用下位移為17.4cm，在百年一遇最大不均等風(fēng)荷載作用下(E-N方向)最大位移為235.5cm。東西垂直鋼索上的預(yù)應(yīng)力為150kN，下環(huán)鋼索的預(yù)應(yīng)力為8 600

kN。整個(gè)結(jié)構(gòu)體系是按非線性幾何軟件進(jìn)行分析的。

只要薄膜應(yīng)力是均勻的，薄膜就不會(huì)發(fā)生顫動(dòng)。在永久荷載作用下薄膜應(yīng)力為7 420kPa，而在臨時(shí)荷載作用下為35 600kPa。薄膜的形狀及其應(yīng)力都是經(jīng)過(guò)程序分析后確定的。

⒌施工

屋蓋施工，首先是安裝鋼斜柱和鋼壓力環(huán)。索桁安裝順序如下：在地上布置三根上層環(huán)索，然后將48根上層徑向鋼索與上層環(huán)索連接在一起，通過(guò)設(shè)置在外圈斜柱及鋼壓力環(huán)上48個(gè)提升裝置牽拉鋼索。然后組裝下層環(huán)索和下層徑向鋼索，最后提升到位。

提升過(guò)程中所有中間環(huán)節(jié)都是經(jīng)過(guò)事先計(jì)算的，并在提升過(guò)程中對(duì)內(nèi)力和幾何尺寸不斷地進(jìn)行測(cè)定，仔細(xì)地加以控制。徑向索與斜柱之間采用銷接。提升過(guò)程中最后測(cè)定的結(jié)果與計(jì)算書中的要求只有微小的差異。表示安裝的順序。最后是安裝膜單元。（劉河譯）

作者單位：韓國(guó)漢城田宇構(gòu)造結(jié)構(gòu)

工程師事務(wù)所

收稿日期：2001年5月

場(chǎng)地平面布置圖