長沙體育中心體育館結構設計

陳平友, 陳文明, 彭志楨, 姚 麗, 溫殿偉, 吳鵬程

(1. 成都基準方中建筑設計有限公司，四川成都 610021；2. 中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

1 工程概況

長沙國際體育中心體育館為特大型甲級體育館，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，地上屋面結構標高50.433 m。根據GB50223-2008《建筑工程抗震設防分類標準》[1]和GB 50010-2010(2016年版)《建筑抗震設計規(guī)范》[2]，體育館抗震設防類別為重點設防類，抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組為一組。場地特征周期0.35 s，建筑場地類別Ⅱ類。體育館下部主體結構采用現澆混凝土框架—剪力墻結構，由于建筑功能的需要，板與剪力墻的連接相對較弱，剪力墻設置間距較大，剪力墻抗震等級為二級，框架抗震等級為二級。

體育館平面投影呈一橢圓平面，外輪廓長軸約252 m，短軸約203 m。在體育館7.600 m標高以上，結構平面投影約為164 m的圓(圖1)。屋蓋采用了雙向正交正放網架，內支座跨度為114.1 m×145.1 m，周邊立面采用了平面桁架(圖2)。

圖1 體育館鳥瞰

圖2 體育館剖面

2 結構設計中的難點和措施

2.1 大懸挑平臺

根據建筑功能的需要，在結構第5層(20.700 m標高)和6層(26.100 m標高)需設置大懸挑平臺，在此平臺下方又不能設置結構柱。因此結構從第3層(12.000 m標高)，設置斜柱，以支撐第5層、6層大懸挑平臺。在體育館看臺東西側區(qū)域，最上層看臺局部收臺，導致下部支撐看臺斜梁的部分柱不能直升上來支撐看臺斜梁，因此也設置斜柱。比賽場看臺尾部的周邊布置的混凝土大柱作為支撐鋼網架屋蓋的內支座，此柱單柱懸臂高度比較高，為了增大該柱的承載力，將該柱設置為型鋼混凝土圖，如圖3。

圖3 斜柱布置示意

2.2 結構16.350 m標高不連續(xù)樓板

結構16.350 m標高處，由于建筑功能的需要，樓層東西側區(qū)域不能設置樓板，導致結構的樓板不連續(xù)。考慮到建筑在此標高位置要設置建筑吊頂，設置水平桁架不影響建筑功能和使用，且能增加結構水平傳力的連續(xù)性和結構的整體性。因此在此處設置了水平桁架，且能有效的降低此處樓板不連續(xù)帶來的結構問題(圖4)。

圖4 16.350m標高加水平桁架

2.3 預制看臺的設計

體育館看臺要做成預制構件，為了保證構件水平力傳遞連續(xù)性，加強結構的整體作用，預制看臺兩端預先留出胡子筋，支承看臺的看臺斜梁上翻墩也預先留出胡子筋。在預制看臺構件安裝完成后，將預制看臺支座處兩側端部的胡子筋和看臺斜梁的預留胡子筋澆筑連接在一起，形成整體(圖5、圖6)。

圖5 典型預制看臺平面連接構造示意

圖6 預制看臺肋梁間現澆處理節(jié)點構造示意(1-1)

看臺的環(huán)形走廊，為懸挑板式結構，如果也做成預制構件，不僅對支承該懸挑板的首排看臺環(huán)梁產生很大的扭矩作用，還要處理防止懸挑板向外傾覆帶來的連接構造問題。設計中，將懸挑板和首排看臺現澆，使首排看臺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環(huán)梁抗扭問題。由于是整體現澆，首排看臺環(huán)梁可以往上抬，梁底平走廊板底，首排看臺下方凈空抬高，可以更好的滿足建筑功能要求，見圖7。

圖7 首排看臺與懸挑走廊現澆構造示意

2.4 超長結構設計

體育館平面投影呈一橢圓平面，下部混凝土結構在平面7.600 m標高上，外輪廓長軸約252 m，短軸約203 m。為了滿建筑功能和立面要求、增強結構體的整體性，下部混凝土結構不設置永久變形縫。因結構平面超長超寬，為控制溫度和混凝土收縮應力，結構采取設計和施工措施，減小或消除因溫度變化在超長混凝土內形成的拉應力，以免體育館主體結構因溫度或混凝土收縮變形開裂形成有害的貫通裂縫。在設計上，考慮了混凝土收縮和溫度變化在混凝土結構中產生的拉應力，以及混凝土收縮徐變和混凝土構件開裂導致構件剛度下降的影響，同時考慮室內外氣溫差值的變化，將構件的拉應力換算為等效溫度作用在結構上，參考文獻[3]的計算方法。室內：降溫-11.6 ℃，升溫5.4 ℃；室外：降溫-16.1 ℃，升溫9.4 ℃。

樓板按彈性膜計算，結構采用考慮溫度作用效應組合的內力計算配筋。在設計上按一定間距設置施工后澆帶，并盡可能推遲后澆帶的封閉時間至3～6個月，以減少混凝土早期固結收縮變形對結構的影響。將梁、板鋼筋在后澆帶處盡量斷開，后澆帶封閉時進行搭接焊，減小混凝土收縮時鋼筋的約束影響。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 屋蓋結構的設計

體育館為鋼結構屋蓋，共分為4個部分：

(1)看臺上方采用雙向正交正放平面網架，網架利用下部比賽場看臺尾部周邊布置的40根混凝土大柱，作為屋蓋網架結構的內環(huán)多點支座，跨度為114.1 m×145.1 m。

(2)40個支座外側采用放射狀桁架。

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

(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，同時又是外圍幕墻的主要受力支撐構件。設計中，與建筑立面密切配合，利用幕墻材質變化以及建筑線條在立面上的變化自然形成的分割線，設置環(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算長度。正交正放網架支座位于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構7.600 m的平臺標高的柱頂或環(huán)形梁上，采用關節(jié)軸承支座。設計中，為了增強結構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，鋼拉桿采用強度等級為BLG725的不銹鋼拉桿。轉換桁架尺寸為3 m，立面桁架寬度為2.5 m。整個屋蓋結構體系與建筑效果協(xié)調一致，且傳力途徑簡潔明了。屋面荷載沿著中間網架向四周傳遞，到達周邊混凝土看臺柱處時，一部分向下傳遞給混凝土看臺柱，一部分沿著放射桁架繼續(xù)傳遞，通過轉換桁架，順暢傳遞到立面桁架。

3 其他主要設計

本項目屋蓋體量、跨度均較大，體型新穎，還進行了大量的設計計算工作。

3.1 抗震性能設計

本工程將下部混凝土主體結構和上部鋼屋蓋結構進行總裝，在屋蓋上部與柱連接處設置彈性支座；周邊立面鋼桁架下端與7.600 m標高平臺相連的地方設置關節(jié)軸承支座，采用整體分析模型對結構進行整體分析。根據建筑的功能和結構特點，本工程抗震性能目標為C級[4]。結構底部加強區(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鍵構件。

結構彈性階段(多遇地震)的設計分析采用PMSAP、YJK、MidasGen計算，對部分參數進行了對比(表1，表2)。其他關鍵參數，如剛重比、剪重比、基底剪力、樓層受剪承載力比、樓層側向剛度比、層間位移等，用PMSAP、YJK分析對比，結果也比較一致，說明結構模型分析準確。采用軟件SAUSAGE進行非線性動力彈塑性時程分析。

表1 荷載對比

通過對體育館進行的彈性、彈塑性的靜力和動力分析，表明結構能夠滿足設定的性能目標要求。

3.2 抗連續(xù)倒塌驗算

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，弦桿屬于關鍵構件，在整個結構體系中起著重要作用，若這幾個構件失效可能引起結構連續(xù)倒塌，

表2 結構周期比

可能帶來嚴重的后果，因此有必要對結構進行連續(xù)倒塌分析。根據CECS 392: 2014《建筑結構抗倒塌設計規(guī)范》[5]，整體結構模型分別考慮拆除1個支撐柱、拆除2個支撐柱、拆除靠近支座的下弦桿、拆除支座的腹桿后，對鋼屋蓋進行驗算。從應力角度，幾個關鍵構件拆除后，最大應力為282.9 MPa，僅局部相關部位構件應力稍有增大,且均小于屈服強度。其他部位構件應力水平均較低處于彈性狀態(tài)。故而幾個關鍵構件的失效或拆除不會導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構脫離，下部主體結構對鋼屋蓋約束的剛度提供給鋼屋蓋。采用MidasGen進一步分析鋼屋蓋結構在靜力、溫度作用、地震和風組合各種工況下的內力和變形情況，各構件均滿足設定的性能目標要求。設計中，對鋼屋蓋結構進行了整體穩(wěn)定分析，考慮結構的雙非線性，采用通用有限元軟件ANSYS進行計算分析，計算結構在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，結構的安全系數為4.99；②工況作用下，結構的安全系數為6.78；③工況作用下，結構的安全系數為6.31，均大于規(guī)范規(guī)定的2.0[6]，且有較大富裕，滿足規(guī)范要求。雙非線性穩(wěn)定分析結果表明，結構具有較好的穩(wěn)定性。

設計中還對各種類型的節(jié)點進行了有限元分析，各種應力和指標均滿足規(guī)范要求。

4 結束語

長沙體育中心體育館由于建筑功能和立面的需要，設計中遇到了較多的專業(yè)難題并要妥善的處理，對大懸挑結構、樓板不連續(xù)、預制看臺、超長結構、大跨鋼屋蓋平面轉換等在設計中采取了有效的處理辦法。同時采用多個模型和軟件對結構抗震性能、防連續(xù)倒塌、屋蓋整體穩(wěn)定等關鍵問題進行了仔細的計算分析，滿足設定的性能目標和相關規(guī)范要求。

注：本文第一作者是在中國建筑西南設計研究院有限公司工作期間做的本項目，同時皮孝建、程偉、黃步菘、李占濤等同志也參與了本項目的設計工作，在此表示感謝。