奥体中心体育馆结构设计及若干技术.docx

摘要奥体中心体育馆是一个特大型综合体育馆，看台以下的主体结构采用了钢筋混凝土框架-剪力墙结构，屋盖采用肋环形双层钢网架。钢屋盖由位于看台外侧的48根混凝土直柱和位于环廊外侧的16组三角形钢斜柱支承。混凝土柱均匀布置在直径为136.6m的圆上，柱顶设混凝土环梁。外圈三角形斜柱柱顶位于直径为204.6m的圆上。内外圈之间的跨度为34m。建筑外立面采用飞檐造型,飞檐处屋面结构采用三层网架，在网架中部放置设备风机。介绍了结构选型和设计中重点关注的几个问题。关键词：体育馆；肋环形双层钢网架；钢屋盖；钢斜柱；混凝土环梁01工程简介体育中心是全国运动会的主场馆，由体育场（标段1）和体育馆+游泳馆（标段2）组成，项目选址在国际港务区，位于市未来城市发展的东北向主轴上，柳新路以南，向东路以北，杏渭路以西，迎宾大道以东，占地面积约74.9x10411f,地理位置优越，交通便利。体育中心总平面布置如图1所示。本文仅介绍体育中心的体育馆。图1总平面布置Fig.lGenerallayout体育中心体育馆是一个综合体育馆，建筑面积为108,283m2,有18,000个座席,看台高度为26.40m,建筑高度为41.36Om（钢结构上弦最高点中心线），无地下室，地上4层，底层的外圈尺寸为168m,屋盖外围尺寸约为204.6m,属于甲级大型体育建筑，如图2所示。图2体育馆建筑效果图Fig.2 Architecturalrenderingofthestadium体育馆一层周圈布置有商业、设备用房及上到其屋面的台阶，商业、设备用房与体育馆间一层设有环形车道。商业用房的屋面为体育馆的入口平台，平台与体育馆间通过部分连桥连接，用于体育馆的人员疏散，如图3、图4所示，图3左下角部分为热身馆。下层观众看台区观众入口大厅热身区上空图3体育馆2层建筑平面图Fig.3 Floorplanofthestadiumonthesecondfloor钢结构最高点中心线Fig.4Profileofthestadium02结构设计2.1结构选型与设计如前文所述，商业及设备用房与体育馆在2层楼面通过部分连桥连接，故沿体育馆周边设置一圈结构缝将平台与主馆脱开。考虑主馆使用过程中的温度变化较小，故主馆不设缝，只在施工阶段采取措施防止混凝土开裂。周边商业用房沿体育馆外圈按长度小于120m设置结构缝，将商业用房部分分成13个结构单元,如图5所示。图5结构单元划分Fig.5Structuralunitdivision体育馆1层层高为7.8m,其他楼层层高为4.5m,设防烈度为8度。受看台内跨采用肋环型双层网架折板区采用肋环型三层网架顶层网格随建筑面翻折顶部设双道框架梁抵抗屋盖水平推九/钢屋盖外圈斜柱落在16.8m图6钢屋盖与混凝土结构间的支撑结构Fig.6Supportstructurebetweensteelroofandconcretestructure本工程钢屋面为圆形穹顶形式，屋面钢结构在竖向荷载作用下有向外膨胀的趋势，为使屋面钢结构形成自平衡体系，减少屋盖传给竖向构件的水平推力，同时方便施工，缩短工期，钢屋盖选用肋环形双层网架结构，中间最大跨度为136.6m,外环跨度为34m。为满足屋面造型需要，结合建筑功能，沿屋面外圈局部抬高形成夹角，尖角内放置风机，故尖角部分采用了3层网架，该部位防水屋面做在网架的中间层，上层为装饰屋面，如图7所示。._34136.6加跨采用自1中间跨采用双层肋环型网架肋环型网架_34环跨采用三层肋环型网架部分斜构件的影响，结构的扭转指标难以满足规范要求。为调整楼层刚度，体育馆看台以下部分采用混凝土框架-剪力墙结构，周围商业用房采用框架结构。看台采用清水混凝土预制看台。看台后侧是体育馆钢屋盖的主要竖向支承构件，由均匀布置在直径为136.6m圆上的48根混凝土柱构成,柱的外侧是体育馆的环廊,环廊的外立面由64片倾斜的三角形幕墙组成，各三角面的交线上设有钢斜杆作为幕墙的支撑结构，如图6所示。图7钢屋盖结构（单位：m）Fig.7Steelroofstructure（Unit：m）2.2 结构设计控制参数本体育馆为特大型综合类体育馆，根据建筑工程抗震设防分类标准（GB502232008）1,本项目应为重点设防类建筑。按照建筑抗震设计规范（GB500112010）2和高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ32010）引的相关规定，体育馆的有关设计参数如表1所示。表1结构设计参数Tab.1Structuraldesignparameters控制项控制参数建筑结构安全等级钢结构屋盖及其支撑柱：一级混凝土结构：二级设计基准期50年设计使用年限50年抗震设防类别重点设防（乙类）设防烈度8度（0.2g）抗宸措施9度结构体系看台以下：框架-剪力埼T结构钢屋面：双层网架结构（局部3层）抗宸等级框架及剪力墙：一级（支荐钢屋盖混凝土柱：特一级）屋盖网架关键杆件地震组合内力放大1.15倍支座节点地震力放大1.20倍长细比限值：压杆120；拉杆200也本风压/（kN-m-2）0.40（100年）也本雪压/（kNm2）0.30（100年）场地类别11类（,=0.40s）基础设计等级甲级湿陷性分类甲类允许层间小震1/800（看台以下）.1/550（看台以上）位移角大宸1/100（看台以下）.1/50（看台以上）2.3 传力路线规划与关键构件的确定体育馆可分为四周环廊和内部看台2大区域，故体育馆钢屋盖可设计成3跨连续结构，其竖向荷载作用下的弯矩图可近似用图8表示。这样的跨度分布决定了钢屋盖的大部分竖向荷载将通过内侧直柱向下传递。因地震力为惯性力，同时外圈斜柱的倾斜角度不大，传递水平力的能力不够突出，所以为了传力简洁，应设法让水平力也主要通过内圈混凝土直柱往下传递。内圈混凝土直柱毫无疑问是结构的关键构件。同理，在屋面钢结构中，该柱附近的钢网架弦杆和斜腹杆及Fig.8Structuralforcediagram2.4基础设计基础采用了当地应用较为成熟的后插筋灌注桩（即建筑桩基技术规范（JGJ942008）中的长螺旋钻孔压灌桩），直径为600mm,桩长约为25m。试桩结果表明，桩的竖向承载力很高，达到了300t以上。但因桩径较小，水平承载力较差，考虑体育馆的设防烈度为8度，又未设地下室，桩需承受的水平力较大，结合前文力的规划路线，为保证其桩基工作的整体性和安全性，在该柱及其向外一圈的地梁间设置一圈混凝土板（图9中阴影部分），使基础在承受较大水平地震作用时具有更好的整体性和较大的承载能力，如图9所示。图9基础平面图Fig.9Foundationplan2.5主要计算结果2.5.1 周期分析结果体育馆采用MIDASGen的整体计算结构振型结果如表2所示，说明结构的整体抗侧刚度及抗扭刚度适中。表2屋盖结构振型周期与质量参与系数Tal).2VibrationinodeperiodsofroofstructureandqualityPnrtiCiPnlionCoCfTiCiCnIs振型周期/sUrUySR10.8960.0000.00299.9970.00020.6429.95083.5040.0000.01130.63681.67210.3540.0000.02940.52328.00965.1840.0000.16950.51764.59027.1560.0000.11860.5010.3780.0920.00099.48870.4580.0040.2350.00099.56580.4222.9970.1061.15894.65190.4090.0000.0000.00199.998100.3910.0800.0230.00199.895振理参与质量/%99.9599.9599.4992.962.5.2 钢屋盖的变形情况对于大空间结构，屋盖的水平和竖向变形是设计中需要重点关注的问题，本工程的有关计算结果如表3所示，说明屋盖结构水平和竖向变形满足规范要求。表3钢屋盖的跨中挠度Tah.3mid-spandeflectionofsteelroof荷载与作用WIneXmmWM/2恒荷栽-1721/792满布活荷战-1721/794恒荷我十满布活荷我-3501/390恒荷我+满布营荷我-1971/695恒荷载+半冷雪荷栽-1861/735恒荷栽+高低跨宝荷栽-2011/680恒药栽+水沟满水荷载-1711/797恒荷我+0°风荷投-1361/1003恒苻栽+90°风荷载-1361/1007注：WmaX为屋盖跨中挠度"为屋盖跨度。2.5.3 屋盖地震剪力在内外圈支撑柱的分配情况地震力的本质是惯性力，质量越大产生的地震力也越大，该力如果不发生水平转移，直接沿竖向构件传至基础，则此时的传递路径最短，因此钢屋盖内圈支承柱的刚度决定了地震力的分配合理程度。本工程内圈框架柱的截面取1,500mm×1,500mmo计算表明，内圈框架柱分配的地震剪力占了总地震力的80%以上，外圈钢斜柱分配的地震剪力不足20%,与规划的传递路线一致，如表4所示。表地震剪力分配情况ab.4DistributionOfseismicshearforce工况内图框架¼kN外图斜柱/kN总剪力/kN内圈框架柱地震剪力与总剪力的百分比/%EX29786.77343.536794.980.95EY30505.77647.937924.280.442.5.4 钢屋盖地震力在支座上的分配由于钢屋盖平面内的刚度不大，地震作用下地震力在支座处的分配将随屋盖及其支承柱的刚度变化而变化。图10中数据表明：内圈支承柱中，直径与地震方向平行的柱的地震力最大，垂直方向的柱的地震力最小；高区看台的柱较短，抗侧刚度相对偏大，因此分担的地震力偏大。a）X向地震b）歹向地震图10地震力在混凝土柱顶的分配（单位：kN）Fig.10Distributionofseismicforcesontopofconcretecolumns（Unit：kN）2.5.5外围斜撑对竖向荷载的贡献2组三叉撑中间的直杆支承于下部混凝土结构的悬挑梁上，设计将其处理成轴向钱，不传递竖向力，能够传递竖向力的仅有三叉撑中的斜杆。为此，将斜撑的顶部交点处理成支座，去掉外圈幕墙荷载，则恒载+活载（1.d+1.l）工况下的支座反力如图11所示。由图可知，外圈三叉斜柱仍为压杆，但杆内的轴力很小,内圈混凝土柱才是竖向荷载的主要承担者，是关键构件。a）X向地震b）y向地震图11外圈三角形斜撑承担的竖向力（单位：kN）Fig.l1Verticalforcesontheoutertriangularbrace（Unit：kN）03结构设计需重点解决的几个关键问题3.1 屋盖支撑结构形式及控制指标的确定钢屋盖的内圈支承结构形式有3种：1）混凝土柱以悬臂柱形式单独支承