連江縣體育公園體育場結構設計

陳 宇

(翰林(福建)勘察設計有限公司 福建福州 350000)

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連江縣體育公園體育場結構設計

陳 宇

(翰林(福建)勘察設計有限公司 福建福州 350000)

連江縣體育公園體育場主體采用鋼筋砼框架結構，屋蓋采用空間鋼管桁架結構，最大懸挑長度28.6m。用SATWE、3D3S軟件分別對主體結構及鋼結構罩棚單獨建模計算分析；考慮鋼筋砼和鋼結構協(xié)同工作，用PMSAP對結構進行整體總裝計算分析；采用包絡設計的方法確保各結構構件在最不利受力工況下的安全，并用抗震性能化設計方法對關鍵構件按設定的性能目標進行設計。文章簡要介紹了看臺結構中斜梁、SRC柱以及鋼罩棚的設計要點，并闡述了處理看臺砼結構超長引起的溫度裂縫以及砼收縮裂縫所采用的一系列技術構造措施。

體育場；整體總裝分析；性能化設計；超長結構

1 工程概況

連江縣體育公園位于連江縣站前大道與南江濱路交叉口，北臨濕地公園，總用地面積19 733 m2，是福州市重點建設項目，全國首屆青運會武術套路比賽場館。建設有“一場兩館”(一個體育場，一個綜合體育館，一個游泳館)和“二集中”體校，總建筑面積66 685 m2，總投資約4.3億元(圖1)。

體育場總建筑面積26 588 m2，分東西南北4個區(qū)和1個田徑場；地上2層，一層主要為體育商場、辦公區(qū)、運動員及貴賓接待區(qū)，二層為觀眾看臺，建筑總高度19.1m，共約15 180座位。東西兩區(qū)設鋼結構罩棚，投影面積12 716m2，罩棚懸挑長度19.6m～28.6m(圖2～圖3)。

2 結構選型與布置

體育場設置4道伸縮縫兼做防震縫，將結構分為4個結構單元(圖4)。

抗震設防烈度為6度(0.05g),抗震設防類別為乙類，設計地震分組為第三組，場地類別三類，基本分壓0.8kN/m2,地面粗糙度B類，結構安全等級二級。主體結構采用鋼砼框架結構，支撐屋面鋼結構的柱采用型鋼砼柱，柱截面：1 000×1 800、1 000×1 200，其余柱采用鋼砼柱，截面：500×500、600×600、800×800，框架梁截面：400×900、300×800、300×700，看臺次梁截面：200×500、250×700?；A采用預應力鋼砼管樁，型鋼砼柱下采用4樁承臺，其余柱為1～3樁承臺。東、西區(qū)屋蓋結構各由24榀主桁架(東西徑向)+4道貫通聯(lián)系桁架(南北環(huán)向)所組成空間管桁架體系。東、西區(qū)懸挑屋蓋的前端在混凝土主結構柱頂各設置22個支座；在后端通過拉桿落在二層平臺上，落地點設置22個銷釘支座。桁架厚度根部5M,端部2.5M,根部高跨比1/5.7，桁架中部設人行馬道。主體砼梁板柱強度為C30，主體鋼結構、預埋板、端頭板等以及柱內(nèi)型鋼采用Q345B鋼，屋面檁條采用Q235B冷彎薄壁鋼。

3 結構計算與分析

3.1 結構模型總裝分析的重要性

體育場類結構一般都由上部大跨空間或是懸挑鋼結構支撐于下部鋼砼結構構成，上、下部結構是一個密不可分的整體，上部結構對下部結構既有作用又有剛度約束，下部結構對上部結構既有支撐又有效應放大。傳統(tǒng)的上部鋼結構與下部砼分開單獨設計的方法存在安全隱患，既不能反映上部結構剛度對整體結構的貢獻，也不能反映上部結構有限剛度對上部結構的效應放大。因此模型總裝分析，才能夠得到上下部結構在各種工況作用下較為合理的效應，尤其能夠揭示上部鋼結構與下部砼結構連接界面結構構件的不利受力狀態(tài)。

3.2 結構計算模型分析

該工程分別采用以下3種模型進行計算分析：(1)單獨下部砼結構模型Ⅰ，阻尼比取0.05，SAYWE(2011版)軟件計算。(2)單獨上部鋼結構罩棚模型Ⅱ，阻尼比取0.02，用3D3S軟件計算。(3)下部砼結構與上部鋼結構罩棚總裝模型Ⅲ，阻尼比取0.035，用PMSAP分析。主要分析結果見表1～表2。

表1 主要周期

表2 地震剪力

分析結果顯示，整體模型自振周期略大于下部砼結構模型，結構整體性較好，扭轉不明顯，扭轉主振型與第一平動主振型的周期比均小于0.9。屋面鋼結構罩棚對下部結構有較大影響，整體模型計算比下部單獨模型計算的地震剪力基本都有放大，特別是下部結構頂層，X、Y向分別放大1.45倍和1.38倍。由于本工程為6度設防，但風壓較大，風洞試驗揭示的風荷載體型系數(shù)及風振系數(shù)均較大，Ⅱ、Ⅲ模型計算結果顯示，屋面鋼結構部分地震作用不起控制作用，主要由風荷載、恒載、活載加溫度荷載控制。綜合上述結果，該設計采用以下包絡設計方法：(1)模型Ⅰ與模型Ⅲ包絡設計，用于結構整體分析，重點用于下部砼結構設計，整體穩(wěn)定性分析以及抗震性能分析。(2)模型Ⅱ主要用于鋼結構罩棚的精細計算與桿件優(yōu)化設計，并比較PMSAP與3D3S的應力比情況，對3D3S桿件尺寸做出調(diào)整。

4 看臺結構設計要點

4.1 看臺斜梁及SRC柱設計

該工程鋼結構罩棚支撐于下部鋼筋砼看臺上，為保證整體結構在地震作用下有較好的延性及承載能力，支撐柱采用型鋼砼柱(SRC柱)。并采用抗震性能設計方法，按“中震彈性，大震不屈服”計算結果進行復核驗算。柱截面配筋及節(jié)點細部大樣見圖5。

4.2 超長砼結構設計

由于體育場看臺屬露天結構，砼溫度應力的影響不能忽視，為減小溫度作用和收縮變形對鋼砼結構的不利影響，防止砼裂縫的產(chǎn)生，設計中先采用PMSAP對砼結構進行整體溫度分析，設計取施工溫度20℃，溫度差為±25℃，根據(jù)分析結果采取相應的構造措施(圖6～圖7)。

(1)看臺結構沿環(huán)向根據(jù)看臺階梯設置密肋粱，板基本為小跨度單向板，板厚≥100mm，雙層雙向配置通長鋼筋，直徑不少于8mm，間距不大于200mm，并增加梁側腰筋配筋量。

(2)設置后澆帶，每隔30mm～40mm設置一道后澆帶，后澆帶采用比相應結構部位高一級的補償收縮砼澆筑，在本層構件澆筑不少于2個月后，再進行封閉，封閉時間控制在氣溫較低時(<15℃)。

(3)砼施工前，要求施工單位提交砼澆筑方案，嚴格控制砼的砂率，水灰比和塌落度，減小砼水化熱。

(4)在環(huán)向主次梁上設置預應力筋，按梁截面大小，分別施加0.6MPa～0.9MPa預應力。

(5)加強養(yǎng)護，采用覆蓋草包，澆水等養(yǎng)護措施，保證砼在濕潤條件下硬化。

5 鋼結構罩棚設計要點

5.1 屋面鋼罩柵計算分析

屋面鋼罩棚高度為19.1m，懸挑長度19.6m～28.6m。鋼罩棚采用由鋼管組成的倒三角形空間鋼管桁架。模型Ⅱ、Ⅲ計算結果顯示屋面鋼結構罩棚構件最大應力狀態(tài)非地震工況控制，而是主要由風荷載、恒、活載加溫度荷載控制。因此本工程主要采用3D3S V10.0軟件進行鋼屋蓋網(wǎng)架計算和構件節(jié)點設計(圖8)，并比較PMSAP與3D3S的應力比情況，對3D3S桿件尺寸做出調(diào)整。

(1)在計算模型中，桁架的腹桿為桿單元，其余主弦管和上弦支管均為梁單元。

(2)考慮恒、活、風、溫、地震在內(nèi)的荷載組合39種。風振系數(shù)，風荷載體型系數(shù)按風洞試驗結果與《建筑結構荷載規(guī)范》(GB5009-2012)取值綜合采用。

(3)溫度荷載：考慮正負24℃的溫差；對溫度敏感的金屬結構，根據(jù)結構表面的顏色深淺及朝向考慮太陽輻射的影響，對結構表面溫度給以增大。因此溫升為+30℃，溫降為-24℃。

(4)下部砼結構的柱頂側移剛度作為鋼屋蓋的彈性剛度輸入給鋼結構模型的作為邊界條件。

(5)計算結果:上弦采用直徑351mm～402mm圓管，下弦采用直徑402mm～480mm圓管，腹桿采用直徑159mm～219mm圓管。計算應力比控制在0.8以內(nèi)。屋蓋挑檐端部在恒+活下的最大撓度為131mm，撓度/跨度為1/218，滿足規(guī)范要求。屋蓋風壓荷載僅用于承載力計算，在撓度計算時，不考慮風壓荷載參與標準組合。

5.2 鋼罩柵支座及拉桿節(jié)點設計

屋面鋼結構罩棚支座及拉桿節(jié)點受力復雜，其中后拉桿落地處銷軸連接是該工程設計的難點。銷軸采用40Cr(屈服強度500Mpa，抗剪強度288MPa)，直徑148mm；與銷軸連接的耳板材質(zhì)為Q420B。耳板采用埋件側2片，拉桿側3片的構造，在銷軸上一共4個剪切面(圖9～圖10)。

ABAQUS軟件分析表明，耳板的安全系數(shù)分別是抗拉3.0，抗剪1.7，局部承壓1.4；銷軸的安全系數(shù)分別是抗剪3.6，抗彎7.5。

6 結論

(1) 體育場建筑由于鋼，砼兩種材料本身的材料特性差異，上部鋼結構，下部鋼筋砼結構互相之間剛度約束以及地震效應的放大，除了上下部單獨建模分析外，考慮上下部協(xié)同工作，對結構進行整體總裝分析，并采用包絡設計的方法非常必要。

(2) 采用抗震性能化設計方法對關鍵構件按設定的性能目標進行設計，可提高構件的延性，確保整體結構達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。

(3)體育場看臺屬于超長結構，結構設計中通過結構分析計算采取設置后澆帶，板帶配置雙向拉通鋼筋，環(huán)向主次梁上設置預應力筋，采用補償收縮砼，加強養(yǎng)護等措施，減少了溫度應力作用和砼收縮變形對鋼筋砼結構的不利影響。

(4)屋面鋼結構罩棚支座及拉桿節(jié)點受力復雜，在結構受力體系中起到至關重要的作用，因此節(jié)點部分的受力分析與設計是本工程鋼結構設計的重點與難點，宜采用有限元應力分析進行計算設計。

[1] GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 熊天齊.淺析體育場館類結構的設計過程與方法[J].建筑結構技術通訊,2012(09).

[3] PMSAP復雜多、高層建筑結構分析與設計軟件用戶手冊[Z].中國建筑科學研究院,2011(2).

[4] 3D3S鋼結構設計軟件V10基本模塊使用手冊[Z].上海同磊土木工程技術有限公司,2009(09).

Structure Design of Lianjiang County Sports Park Stadium

CHENYu

(Hanlin Survey and Design Institute Co. Ltd., Fuzhou 350000)

The main building of Lianjiang County Sports Park Stadium is made up of reinforced concrete frame structure and the roof made up of spatial steel pipe truss structure,of which maximum cantilever length is 28.6 m. Using SATWE and 3D3S software to model on the main building and awning of steel truss structure singly calculation and analysis. The whole structure were overall assembly calculated and analyzed by using PMSAP considering the cooperative work of reinforced concrete and steel structure.To use a method of envelope curve to ensure every structural components safety in the most adverse operating conditions,and a design has been carried out on key component in accordance with the performance target set by the use of performance-based seismic design method.This paper mainly introduces the design outline of the oblique beam of stand structure,SRC column and steel awning.A series of technical construction measures were elaborated, which was adopted to deal with thermal cracking and concrete contracting crack caused by super-long stand structure.

Stadium;Overall assembly analysis;Performance-based design;Super-long structure

陳宇(1971.11- )，男，高級工程師。

E-mail:459838797@qq.com

2016-09-10

TU3

A

1004-6135(2016)11-0045-05