韓國新建的兩座體育場結構設計

（韓國）田鳳秀　李宰赫　孔道煥

韓國作為國際足聯2002年世界杯韓國和日本兩個舉辦國之一，計劃新建10座高標準體育場。其中三座現已完成并已用于2001年國際足聯聯合會杯賽事，另七座正在施工之中。10座體育場分別建在韓國的10個城市，包括：濟州、金州、仁川、光州、釜山、漢城、水原、大邱和蔚山。

2002年世界杯首場賽將在漢城舉行，

決賽將在日本的橫濱進行。

田宇構造結構工程師事務所有幸參與了濟州和釜山體育場的設計。現將兩座新建的體育場簡介如下。

濟州2002年世界杯足球賽體育場結構設計

濟州體育場位于韓國濟州島的西歸浦市(Seoguipo)，由韓國豐林建設(Poonglim & Construction)、一建建筑師事務所(II-kun Architect)和田宇構造結構工程師事務所(Jeon and Associates,JAA)與美國Weidlinger Associates Inc.合作設計。體育場地上4層，地下2層，擁有42 000個座位。西看臺屋蓋為空間桁架，屋面為索膜結構，整個屋蓋由6根桅桿及鋼索牽拉著。屋蓋下方的座位區(qū)可滿足國際足聯的比賽要求。

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

體育場的建筑形式體現了當地傳統(tǒng)漁船“Teu”的形象。覆蓋著體育場一側的半月形屋蓋，其徑向桁架連接著前后桁架，并由桅桿上的鋼索牽拉著?？磁_結構和屋蓋結構是脫開的，以減小所有荷載組合在一起后引起的不可預料的應力。(圖3)

⒈屋蓋結構構件及其作用

⑴前桁架及徑向桁架的場內端頭用于有效地抵抗風吸力。連接在桅桿上的鋼索承擔重力荷載和正向風荷載。

⑵后桁架用作約束徑向桁架場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構側向位移的功能。

⑸位于屋蓋場內端頭的前緣桁架，用作抵抗風吸力。

⑹桅桿是支撐屋蓋結構的主要構件，它由不同直徑的變截面鋼管構成。6根高度不等的桅桿(80m/60m/40m)支撐著整個屋蓋結構。

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緊緊地固定在錨固件上。牽拉索是用作平衡屋蓋結構荷載的。

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向位移并起著次結構的作用。

⑽覆蓋在徑向桁架和連接桁架上的薄膜應設計成最穩(wěn)定的弧形屋面。薄膜是由PTFE及玻璃纖維制成的。承擔外荷載的薄膜要求具有適當的曲率，薄膜曲面通常具有兩個垂直曲率用以承擔反方向的荷載。

⒉屋蓋結構

⑴體育場屋蓋結構的分析及設計

本工程采用了三個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。三個程序都能用于索屋蓋結構的幾何非線性分析。BLD3D和MCM程序僅用于分析靜荷載作用下的膜單元構件。LARSA程序用于完成動力分析并給出每個振型。

Weidlinger Associate Inc.(WAI)在設計中采用了以下三個主要步驟：

①利用LARSA進行初步分析和設計。

②根據初設的結果，WAI利用MCM對均布風荷載作用下的半跨計算模型進行了分析并優(yōu)化設計，為桁架和鋼索選擇最佳的構件尺寸。

③根據上述分析和設計的結果，WAI利用BLD3D對不對稱風荷載作用下的全跨計算模型上進行最后的分析，并根據規(guī)范對構件進行核算。

④動力分析由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。通過動力分析，了解體育場的結構動力特性，保證設計方案的安全和經濟性。

⑵體育場屋面索膜結構的設計

體育場屋面的索膜設計采用了MCM程序。索膜是按每個單元單獨分析的，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。索膜的計算模型其邊界條件按固定考慮。

⑶風洞試驗

通過風洞試驗，正風壓系數的最大值和平均值分別為2.74和0.88，而負風壓系數的最大值和平均值分別為-5.47和-1.82。室外裝飾物設計的風荷載，正風壓為3.18KN/m2，負風壓為-6.35KN/m2。結構構件設計的風荷載，向下方向為1.02KN/m2，向上方向為-2.11KN/m2。風環(huán)境評估試驗表明當G.F值設定為2.0時，體育場內達到了辦公樓的標準。

⒊屋頂桁架的錨固及鋼索基座

⑴屋頂桁架的錨固

風吸力產生的側向反力為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共同抵抗。

⑵鋼索基座

正風荷載產生的側向反力為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屋蓋結構的安裝順序

⑴桁架構件的組裝

桁架所有桿件制作后運送到施工現場。徑向桁架的場內段(T1-6，T1-6)在球場上拼裝，徑向桁架的場外段則在體育場外拼裝。當裝配好的徑向桁架擱置在臨時支柱上時，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)的構件號為：

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行臨時固定。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 架降至設計標高。

④采用固定裝置拉緊鋼索。

安裝牽拉鋼索時，先將鋼索連接在桅桿的頂部，然后用卷揚機拉緊鋼索。

（徐曉梅譯）

釜山2002年世界杯足球賽體育場鋼索薄膜屋蓋

⒈前言

韓國釜山正在為2002年世界杯足球賽建造一個可容納7.1萬名觀眾的體育場。它最初是為2002年亞運會設計的，為適用于多種比賽，屋蓋結構采用了可縮進的三角形拉撐穹頂。后來，按照釜山市要求，該場還要用作2002年世界杯足球賽場，由于原設計的屋蓋開洞太小，不滿足國際足聯要求場地草坪具有充分日照。因此，屋頂結構改用索膜體系，中間橢圓形洞口尺寸為180m×152m，代替原設計的直徑為120m的洞口。新的屋蓋結構，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。整個屋蓋結構支承在外圈四周鋼筋混凝土斜柱及鋼壓力環(huán)梁上。

新屋蓋結構體系，由德國斯圖加特Schlaich Bergermann und Partner公司設計，由韓國漢城田宇構造結構工程師事務所（Jeon and Associates）協調審定，并根據屋蓋結構的變化，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。支撐結構由48根人形斜柱和垂直混凝土柱組成。屋面面積為20 000m2，橢圓開洞長軸為180m，短軸為152m。屋架高度長向為13.6m，短向為21.6m。屋頂鋼索與其下部的支撐鋼筋混凝土柱相對應，分成48個部分。

⒉索桁結構

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的預應力合金鋼筋，每根施加700kN預應力。

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

2×48mm徑向鋼索連接斜柱和內索環(huán)。徑向索的尺寸依實際荷載而不同。上層徑向索直徑為43mm～52mm，52mm～68mm。南北長25m，東西長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膜結構

膜結構由48個單元組成。每個單元支承在2個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。這種連接也傳遞側向力。

跨度達13.6m的拱自重僅100Pa。前、后膜邊呈圓形，用柔性細鋼索加應力。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層，最低透明度8%。薄膜厚度0.8mm，允許張力5 800N/5cm。

⒋結構設計

預應力屋架經風載和雪載試驗。風載是通過加拿大安大略省RWDI試驗室詳細風洞試驗后確定的。鋼索結構后部和前部風載分別為0.25kPa和1kPa，膜結構風載為0.75kPa～2.0kPa。雪載按韓國工業(yè)標準定為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應力為150kN，下環(huán)鋼索的預應力為8 600

kN。整個結構體系是按非線性幾何軟件進行分析的。

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

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，通過設置在外圈斜柱及鋼壓力環(huán)上48個提升裝置牽拉鋼索。然后組裝下層環(huán)索和下層徑向鋼索，最后提升到位。

提升過程中所有中間環(huán)節(jié)都是經過事先計算的，并在提升過程中對內力和幾何尺寸不斷地進行測定，仔細地加以控制。徑向索與斜柱之間采用銷接。提升過程中最后測定的結果與計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：韓國漢城田宇構造結構

工程師事務所

收稿日期：2001年5月

場地平面布置圖

濟州體育場全景圖		不均等風荷載作用下的屋蓋變形
膜模型		24圖解

體育場樂西剖面圖

場地平面布置圖

(圖4)體育場屋蓋結構剖面圖(圖5)桅桿詳細

(圖6)四面體索桁架及屋面膜(圖7)屋蓋桁架混凝土錨固件圖

(圖8)屋蓋仵錨固端剖面圖(圖9)牽拉索混凝土描固件圖

(圖10)牽拉索錨固圖(圖11)裝配前平面圖

(圖12)裝配區(qū)域劃分圖

13.區(qū)域1構件安裝順序

(圖14)桅桿安裝第一號(圖15)桅桿安裝第二號(圖16)桅桿安裝第三～五號

釜山體育場剖面

平面和剖面

環(huán)索連接(左)和上徑向索連接(右)

拱大樣

徑向索上的膜連接詳圖

索桁安裝順序