廈門某市民體育中心綜合館結構設計

洪 哲

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361006 )

1 工程概況

廈門某市民體育中心工程，位于福建省廈門市集美區(qū)，由4棟場館組成(圖1)，總建筑面積約為6萬m2，本文所介紹的綜合館單體位于場地的東南角，地下1層，地上3層(圖2)。綜合館的造型獨特新穎，整體風格以閩南嘉庚風格為基礎，在保留柱廊、屋面紅磚和燕尾脊等特點的同時，糅合了現(xiàn)代建筑的設計手法，巧妙地將傳統(tǒng)四坡屋面改為層疊的雙坡屋面，使室內的使用空間得以拓展，而屋脊的位置通過平面拉伸形成平頂，用于設置采光玻璃帶。該建筑方案一方面保證了其整體造型與周邊建筑的協(xié)調統(tǒng)一，另一方面又兼顧了體育場館的實際使用需求。綜合館屋脊平頂處建筑標高為29m，結構高度從室外地面起算約30m，為大跨度屋蓋的高層建筑結構。典型的建筑南北向剖面圖如圖3所示。

圖1 項目總體鳥瞰圖

圖2 綜合館效果圖

圖3 綜合館剖面圖

2 結構設計難點

建筑造型的獨特性對結構設計也帶來了一定難度。首先屋面造型為層疊的八字形屋面(圖4)，同時屋蓋的跨度較大，短跨約為67m，長跨約為77m，東西兩側屋蓋高坡與低坡之間層疊錯坎高度為3m，該屋蓋造型如何實現(xiàn)，為結構設計最主要的難點。其次，綜合館上部采用大跨度輕鋼屋蓋，下部結構采用鋼筋混凝土結構，二者之間如何銜接，混合結構如何進行計算分析，計算考慮哪些因素，也為結構設計的難點。而由于屋蓋為八字形，造成東西兩側山墻面在靠近中部(屋脊平頂)位置框架柱高度為最高，無樓層梁約束的框架柱懸臂長度約為15m(柱總高約25m)，框架柱設計如何考慮，也是混凝土部分結構設計需要考慮的問題。

圖4 屋蓋建筑造型軸側圖

3 結構設計

3.1 結構體系

根據建筑造型的特點，綜合館采用的是鋼-砼混合框架結構體系，上部屋蓋采用正交平面鋼管桁架結構，下部主體結構采用鋼筋混凝土框架。為提高結構的整體抗扭轉能力同時抵消部分坡屋蓋水平推力的影響，在建筑物的4個角柱位置增設與角柱連為一體的L型剪力墻，對結構的角部進行加強處理。結構的整體模型如圖5所示。

圖5 綜合館整體計算模型

3.2 設計參數

綜合館結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，基本地震加速度0.15g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.45sec，砼結構抗震等級均為二級。50年一遇基本風壓為0.8kN/m2，地面粗糙度類別為B類。計算時，阻尼比采用分組阻尼，砼結構部分取5%，鋼結構部分取4%。溫度荷載按±25℃考慮，計算時考慮豎向地震作用影響，嵌固端取為地下室頂板。

3.3 基礎設計

根據地勘報告[1]，該場地土層分布較為均勻，地下室底板標高以下不存在軟弱土層，由上至下主要為⑷b粗砂層(較薄)、⑼殘積砂質粘性土層、⑽全風化花崗巖及⑾砂礫狀強風化花崗巖。由于地下室層高較高，地下室底板以下水浮力較大，而主體結構內部主要為開敞的場館空間，因此基礎設計除了考慮豎向承壓外，還需考慮抗浮設計。結合地勘報告和實際結構受力情況，綜合館基礎型式采用樁基礎，樁型采用錘擊預應力高強混凝土管樁，持力層為⑾砂礫狀強風化花崗巖。

3.4 結構計算

結構采用鋼-砼整體模型及鋼屋蓋獨立模型進行分別計算，包絡設計。整體模型采用YJK軟件進行建模，鋼屋蓋按實際桿件布置于空間層內，并與下部混凝土結構組裝成整體(圖5)。YJK對組裝后的整體結構進行了豎向荷載、地震作用(水平、豎向)、風荷載、溫度荷載等作用效應的分析計算，控制結構各計算指標、混凝土結構配筋及鋼結構應力比等滿足相關規(guī)范要求。屋蓋獨立模型采用3D3S和MIDAS/GEN兩種軟件進行設計計算(圖6～圖7)。

由于鋼屋蓋與下部混凝土柱連接形式設計為鉸接，因此，兩個程序均按支座為固定鉸支座及支座輸入下部混凝土柱的水平支承剛度的兩種支座方式進行包絡計算，以充分考慮支座約束情況對鋼屋蓋的影響。其中，鋼屋蓋支座的水平支承剛度取值依據為YJK整體模型中柱剛度計算結果。

圖6 鋼屋蓋3D3S獨立計算模型

圖7 鋼屋蓋MIDAS/GEN獨立計算模型

3.5 上部鋼屋蓋結構設計

上部大跨度鋼屋蓋X向跨度為66m，Y向跨度為76m，在保證大跨度屋蓋結構安全可靠的前提下，如何實現(xiàn)建筑的創(chuàng)意造型是該項目結構設計最主要的難點。

結合建筑坡屋蓋造型特點，首先結構設計時將屋蓋分為3個部分(圖8)，上下斜屋面部分由于東西側各層疊3m，可看作為兩塊斜屋面“折板”，中部平頂部分則是一塊完整的“平板”。由于屋蓋結構上下完全對稱，如若中部平頂區(qū)能設計成一個很大剛度(豎向及水平)、強度的“支座”，那么兩側坡屋蓋僅需通過設置Y向桁架連接建筑南北側邊柱及中部平頂“支座”，即可將屋蓋搭建出來。

該結構方案有幾個優(yōu)點：

(1)中部平頂部分由于建筑造型簡單，受力、構造均相對清晰，作為中部“支座”的思路較容易實現(xiàn)。

(2)有了中部“支座”后，屋蓋受力體系大大簡化，上下側坡屋蓋及層疊造型僅需設置Y向斜桁架連接中部“支座”及兩側結構柱即可實現(xiàn)，屋蓋由“雙向板”受力簡化成“單向板”受力，傳力更為直接。

(3)上下斜屋蓋對稱，由于中部“支座”較大的水平剛度能吸收及平衡上下斜屋蓋較大的水平推力，建筑邊柱處承擔的水平推力有效減少。

圖8 屋蓋建筑平面圖

結構體系根據上述結構設計思路進行設計，屋面考慮為采用正交平面鋼管桁架結構，設計中重點要考慮中部平頂“支座”如何實現(xiàn)問題。中部平頂范圍上下兩側于建筑的D軸、G軸與斜屋面交接(圖9)，因此，D軸、G軸的X向桁架是中部平頂范圍最重要的兩榀桁架。由于上下斜屋面有3m的疊高造型，因此交接軸D軸、G軸中部相應有3m的高起，以滿足斜屋面Y向桁架的搭接關系。

鑒于D軸、G軸桁架的重要性，結構設計首先考慮利用建筑3m的高起，將這兩軸桁架跨中區(qū)域的矢高加大至6m，這樣可大大提高結構的豎向剛度，降低跨中區(qū)段桁架的豎向變形，起到中部“支座”的作用。D軸、G軸桁架的立面布置圖如圖10所示。

圖9 中部平頂“支座”結構布置圖

圖10 D軸、G軸桁架立面圖

建筑坡屋面疊高后，疊高部位的屋面與中部平頂區(qū)形成3m的高差，由該高差帶來的不平衡彎矩對D軸和G軸桁架的面外穩(wěn)定性不利。由于D軸、G軸桁架至關重要，為解決其面外穩(wěn)定性問題，結構設計將D軸、G軸由平面桁架拓展成空間桁架(圖11)，空間桁架分別由兩榀平面桁架并聯(lián)而成，這樣一來，一方面解決了這兩軸桁架平面外剛度不足問題，另一方面其豎向剛度也增大了一倍，中部“支座”的作用得到進一步強化。

圖11 D軸、G軸空間桁架示意圖

而D軸、G軸之間的E軸、F軸由于受荷面積較小，則設計成矢高為3.4m的普通X向平面鋼管桁架，并于D～G軸間布置間隔為8.4m(兩側)及5.6m(中部)的Y向支撐桁架，并于桁架上、下弦位置滿布水平支撐(圖9)，通過這樣的結構布置，形成中部平頂區(qū)較大剛度、強度的中部“支座”。

解決了中部平頂“支座”區(qū)的設計后，兩側坡屋蓋的搭建則較為簡單，通過設置與屋面同斜度的斜向桁架搭接于中部“支座”與建筑邊框柱之上即可。同時，斜向桁架與中部平頂區(qū)的Y向支撐桁架于平、立面上均一一對應，以保證內力傳遞的連續(xù)性。低坡處、高坡處及疊高位置的斜桁架結構布置如圖12所示，平面布置如圖13所示。

圖12 低坡、高坡及疊高位置斜桁架結構布置

圖13 上下側坡屋蓋桁架結構平面布置圖

上述主要桁架布置完后，通過設置次一級的桁架對較大的區(qū)格進行分割，并布置上下弦水平支撐，最終完成整個鋼結構屋蓋的結構布置設計。

鋼屋蓋部分，主要采用3D3S及MIDAS/GEN兩種軟件進行獨立屋蓋的電算。兩種軟件均按鉸支座及考慮柱支承剛度(取自YJK模型)的彈簧支座模型分別進行計算，考慮豎向荷載、地震作用(水平、豎向)、風荷載、溫度荷載作用效應的影響，并進行施工階段的復核，最終控制中部平頂區(qū)構件應力比(含強度、穩(wěn)定)小于0.7，兩側斜屋蓋部分應力比小于0.8，保證了結構具有一定的承載力冗余度。而由于中部平頂“支座”的設置，提高了結構跨中部位的豎向剛度，結構的豎向變形得到了有效的控制，計算結果顯示結構最大撓度值約為80mm，遠小于規(guī)范的要求。典型的鋼屋蓋固定鉸支座節(jié)點大樣如圖14所示。

圖14 典型的鋼屋蓋支座節(jié)點

上述大跨度鋼屋蓋的結構設計能與建筑造型緊密結合，通過中部平頂“支座”的設置，結構傳力途徑得以簡化，概念清晰，經多工況的電算驗證，效果良好。

3.6 下部混凝土結構設計

作為鋼屋蓋支承的下部混凝土部分為3層，其中一層(地下室頂板)主要建筑功能為籃排球運動場地，二、三層主要為看臺及配套用房。正負零標高以上結構整體呈“回”字形，較為規(guī)則，南北向、東西向均基本對稱，二層結構平面布置圖如圖15所示。

圖15 二層結構平面布置圖

三層東、西兩側為斜向看臺，南、北側為設備用房。三層樓蓋以上即為支承鋼屋蓋的結構懸臂排架柱，排架柱頂標高隨建筑屋面造型的起伏而高低錯落。結構體系采用框架結構，為提高整體結構抗扭轉能力并平衡部分斜屋蓋水平推力，于建筑物四角設置L型剪力墻進行加強，按“少墻框架”結構進行設計計算。采用YJK程序進行整體模型的建模(圖5)，考慮豎向荷載、地震作用(水平、豎向)、風荷載、溫度荷載等作用效應的影響，控制結構計算各項指標滿足規(guī)范要求。由于東、西山墻面建筑屋蓋為“八”字形，因此山墻框架柱在中部平頂D、G軸位置為最高，柱懸臂高度約為15m(圖16)。

圖16 D、G軸框架柱立面圖

鑒于前述D、G軸屋蓋空間桁架的重要性，以及其支承柱較高的懸臂高度，有必要對D、G軸柱進行加強。設計時，該柱截面采用1.5m×2.0m鋼筋混凝土柱，保證其具有較大的剛度和承載能力，從而確保主體結構的安全。

4 結語

該項目屋蓋采用層疊的八字形雙坡屋面，造型較為復雜，同時屋蓋的跨度為67m×77m，跨度也較大，屋蓋結構設計具有一定難度。上部鋼結構屋蓋與下部混凝土結構如何銜接與設計計算則是該項目的另一個難點。為解決復雜屋蓋設計問題，結構布置時利用屋蓋中部的平頂區(qū)域設置較大剛度與強度的中部“支座”，一方面使得結構傳力途徑得到簡化，另一方面也有效減少了結構的相對跨度，將屋蓋設計由空間問題簡化為平面問題，概念更為清晰，構造更為合理。針對鋼-砼混合結構的設計計算的若干問題，運用YJK、3D3S、MIDAS/GEN等程序對鋼-砼混合結構整體模型、屋面獨立模型在多荷載工況、多支座條件情況下的內力和變形進行分析，包絡設計，最終也解決了該項目的第二個設計難點問題。目前該項目已通過施工圖審查并進入樁基施工階段。