寧波奧體中心游泳館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高久旺，王曉光，林振聯(lián)，陸燁佳，梁星明，楊想兵，廖新軍

(悉地(北京)國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司， 北京 100013)

1 工程概況

寧波奧休中心是集文化娛樂、體育運(yùn)動(dòng)為一體的綜合性體育中心，包括體育館、游泳館、綜合訓(xùn)練館和射擊館等。其中游泳館總建筑面積78 293m2，地上31 656m2，地下46 637m2，共有觀眾席位約3 306座。游泳館屋蓋投影近似橢圓，長(zhǎng)軸約219m，短軸約103m，屋面最高點(diǎn)標(biāo)高為31.370m。整體效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

游泳館主要由比賽區(qū)、熱身區(qū)、觀眾大廳、健身區(qū)及配套用房等組成，下部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)。地下一層，地上二層，局部四層，為了不影響建筑平面功能，混凝土部分結(jié)構(gòu)不設(shè)縫。

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別為Ⅳ類，場(chǎng)地特征周期為0.65s，風(fēng)、雪荷載重現(xiàn)期：混凝土部分取50年，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋取100年。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程采用樁基礎(chǔ)，支承鋼屋蓋的柱柱底采用φ1 000樁，樁端持力層為第⑨3層粉質(zhì)黏土，有效樁長(zhǎng)約為68m，單樁豎向抗壓承載力特征值為4 400kN。比賽池及跳水池區(qū)域荷載較小，采用φ600樁，樁端持力層為第⑥3層粉質(zhì)黏土，有效樁長(zhǎng)約為42m，單樁豎向抗壓承載力特征值為1 200kN，單樁豎向抗拔承載力特征值為1 000kN。其他區(qū)域均采用φ800樁，樁端持力層為第⑨1a層或第⑨1層粉質(zhì)黏土，有效樁長(zhǎng)約為61m，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 650kN。由于場(chǎng)地屬于典型軟土地區(qū)，廣泛分布厚層狀軟土，為減小基礎(chǔ)差異沉降，本工程除室外平臺(tái)、比賽池及跳水池區(qū)域樁基礎(chǔ)外，其余樁基礎(chǔ)均進(jìn)行樁端后注漿。

3 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

3.1 下部混凝土結(jié)構(gòu)布置

游泳館下部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。主要柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.4m。橢圓內(nèi)部支承鋼屋蓋的主要豎向構(gòu)件為截面700×900、截面800×1 200型鋼混凝土柱及截面800×800混凝土柱，其中截面700×900柱內(nèi)型鋼截面為H500×250×25×30，截面800×1 200柱內(nèi)型鋼截面為H600×400×30×30，型鋼材質(zhì)為Q345B。橢圓周邊支承鋼屋蓋的柱截面為直徑900m的圓柱，為與外幕墻傾角一致，采用角度約10°的斜柱，其他框架柱典型截面為700×700?；炷敛糠秩S模型見圖2。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖

熱身池上方的健身區(qū)樓蓋跨度為36.3m，采用壓型鋼板混凝土組合樓蓋，鋼主梁兩端鉸接，鋼主梁截面為H2 300×800×35×50，鋼次梁截面為H500×300×12×20，次梁間距約2.8m，樓板厚度120mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，鋼材采用Q345B。健身區(qū)結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 健身區(qū)結(jié)構(gòu)布置圖

3.2 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置

本工程鋼屋蓋由比賽區(qū)桁架、健身區(qū)桁架、東西側(cè)懸挑桁架及觀眾大廳剛架組成(圖4)，典型剖面圖見圖5，鋼屋蓋及混凝土支承柱軸測(cè)圖見圖6。比賽區(qū)平面投影尺寸約92.4m×67.2m，健身區(qū)平面投影尺寸約75.6m×36.3m，比賽區(qū)及健身區(qū)平面投影尺寸兩個(gè)方向均相差較大，因此均采用單向平面桁架。比賽區(qū)屋蓋由12榀桁架組成，桁架跨度67.2m，桁架高度4.5m，采用上弦支承，兩端鉸接于看臺(tái)混凝土柱頂；健身區(qū)屋蓋由9榀桁架組成，桁架跨度36.3m，桁架高度2.5m；東西側(cè)屋蓋采用主次桁架結(jié)構(gòu)，為減小懸挑桁架懸挑長(zhǎng)度，西側(cè)設(shè)置6個(gè)鋼結(jié)構(gòu)搖擺柱，東側(cè)設(shè)置2個(gè)鋼結(jié)構(gòu)搖擺柱；觀眾大廳為了盡量接近建筑墻面造型，屋蓋采用矩形鋼管折線形剛架，上端鉸接于看臺(tái)混凝土柱頂，下端鉸接于7.2m標(biāo)高室外平臺(tái)柱頂，矩形折線形剛架與混凝土交接的一段截面采用變截面，截面高度線性收小至300mm，其余段均為等截面，北側(cè)剛架跨度為8.6～14.4m，南側(cè)剛架跨度為10.9～21.6m。

圖4 鋼屋蓋平面布置圖

圖5 典型剖面圖

圖6 鋼屋蓋及混凝土支承柱軸測(cè)圖

屋蓋構(gòu)件材質(zhì)為Q345B，桁架構(gòu)件采用圓鋼管，墻面鋼架采用矩形鋼管，主要構(gòu)件規(guī)格如表1所示。

鋼屋蓋構(gòu)件截面規(guī)格 表1

為增強(qiáng)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體穩(wěn)定性，沿桁架支座位置周圈設(shè)置了上弦水平支撐，平面桁架面外間隔設(shè)置了下弦系桿，并沿屋蓋縱向間隔一段距離設(shè)置垂直支撐，以增強(qiáng)平面桁架結(jié)構(gòu)面外剛度。觀眾大廳剛架面外設(shè)置系桿及橫向水平支撐。

4 荷載與作用

4.1 恒載和活載

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動(dòng)計(jì)算，屋蓋恒載考慮金屬屋面、主次檁條、天溝等取1.0kN/m2，活載取0.5kN/m2，馬道恒載取1.5kN/m2，活載取2.0kN/m2。

4.2 風(fēng)荷載和雪荷載

寧波地區(qū)50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.5kN/m2，由于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋跨度大，對(duì)風(fēng)荷載敏感，取100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓0.6kN/m2，地面粗糙度類別為B類，風(fēng)振系數(shù)：除屋蓋懸挑端取2.0外，其他部位均取1.6。風(fēng)荷載作用按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1]及風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果包絡(luò)取值。寧波地區(qū)50年重現(xiàn)期的基本雪壓為0.35kN/m2。

4.3 溫度作用

依據(jù)寧波當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，寧波最低基本氣溫為-3℃，最高基本氣溫為37℃，合攏溫度取(15±2)℃，上部鋼結(jié)構(gòu)升溫溫差取25℃，降溫溫差取-25℃，下部混凝土結(jié)構(gòu)升溫溫差取20℃，降溫溫差考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差-10℃，取-20-10=-30℃，混凝土部分考慮徐變引起的應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛系數(shù)取0.5。

4.4 地震作用

本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別為Ⅳ類，場(chǎng)地特征周期為0.65s。根據(jù)安評(píng)報(bào)告[2]，擬建場(chǎng)地的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)如表2所示，場(chǎng)地安評(píng)報(bào)告[2]提供的反應(yīng)譜曲線與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中阻尼比0.035小震反應(yīng)譜曲線比較如圖7所示。

由圖7可知，安評(píng)報(bào)告[2]提供的地震影響系數(shù)均大于規(guī)范譜的地震影響系數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)地震動(dòng)參數(shù)小震采用安評(píng)譜，中震和大震時(shí)則采用規(guī)范譜。

寧波游泳館場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù) 表2

圖7 安評(píng)譜與阻尼比0.035小震規(guī)范譜曲線比較

4.5 抗震性能設(shè)計(jì)

為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，根據(jù)本工程特點(diǎn)，不對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)定性能目標(biāo)，只針對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件等設(shè)定性能目標(biāo)，本項(xiàng)目抗震性能目標(biāo)見表3。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

鑒于工程比較復(fù)雜，采用了多個(gè)模型進(jìn)行分析計(jì)算。不帶鋼結(jié)構(gòu)的混凝土單體模型A(PKPM建模)，此模型鋼結(jié)構(gòu)作用在混凝土結(jié)構(gòu)上的反力以荷載的形式加入到混凝土單體模型，樓板采用彈性膜假定；不帶鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的純鋼屋蓋計(jì)算模型B(SAP2000建模)，此模型支座采用彈性約束；包含混凝土結(jié)構(gòu)及鋼屋蓋的整體結(jié)構(gòu)模型C(SAP2000建模)用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)總裝計(jì)算分析[3]，圖8為整體總裝計(jì)算模型。

抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo) 表3

圖8 整體總裝計(jì)算模型

5.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析采用Ritz向量法，使用SAP2000軟件計(jì)算整體總裝計(jì)算模型前30階振型，使振型質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到90%，得到的前15階結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期與振型質(zhì)量參與系數(shù)見表4。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期與振型質(zhì)量參與系數(shù) 表4

結(jié)構(gòu)第1，2，7階振型分別為屋蓋豎向振動(dòng)、整體結(jié)構(gòu)的Y向平動(dòng)、整體結(jié)構(gòu)的X向平動(dòng)，第14階振型為扭轉(zhuǎn)主振型，扭轉(zhuǎn)周期與第一階平動(dòng)周期之比Tt/T1=0.68<0.9，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋豎向振動(dòng)頻率為1/0.766=1.31Hz>1Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

地震作用下結(jié)構(gòu)主要控制指標(biāo)見表5。剪重比及層間位移角均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

地震作用下主要控制指標(biāo) 表5

5.2 典型關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能化設(shè)計(jì)

支承鋼屋蓋的框架柱為本工程的關(guān)鍵構(gòu)件，采用整體總裝模型進(jìn)行分析，并按抗震性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行中震彈性設(shè)計(jì)、大震不屈服設(shè)計(jì)。典型關(guān)鍵構(gòu)件中支承比賽區(qū)桁架的型鋼柱，根據(jù)實(shí)際配筋繪制的P-M相關(guān)曲線如圖9所示，滿足既定的抗震性能目標(biāo)。

圖9 典型關(guān)鍵構(gòu)件P-M相關(guān)曲線

5.3 屋蓋變形分析

結(jié)構(gòu)在靜力作用下變形見表6。在恒載+活載(雪載)+降溫標(biāo)準(zhǔn)組合下，屋蓋變形最大；比賽區(qū)屋面桁架跨中最大撓度為173mm，滿足撓跨比小于1/250的要求；熱身區(qū)屋面桁架跨中最大撓度為75mm，滿足撓跨比小于1/250的要求。

5.4 鋼屋蓋構(gòu)件設(shè)計(jì)結(jié)果

鋼屋蓋構(gòu)件應(yīng)力比主要由非地震組合工況控制，最大應(yīng)力比均小于0.9，墻面折線剛架最大應(yīng)力比0.658，比賽區(qū)桁架弦桿最大應(yīng)力比0.817，熱身區(qū)桁架弦桿最大應(yīng)力比0.781。在中震彈性組合工況下，部分桿件較小震組合工況下應(yīng)力水平略有增大，但均小于1.0，滿足中震彈性設(shè)計(jì)的抗震性能目標(biāo)。

鋼結(jié)構(gòu)最大撓度 表6

6 鋼屋蓋穩(wěn)定性分析

為分析鋼屋蓋的整體穩(wěn)定性，以1.0恒載+1.0活載為荷載工況進(jìn)行了線性屈曲分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)及屈曲因子。結(jié)構(gòu)第一階屈曲荷載特征值為19.1，主要為健身區(qū)桁架上弦平面外屈曲，表明結(jié)構(gòu)剛度較大，穩(wěn)定性較好。

線性屈曲分析不能考慮幾何非線性的影響，會(huì)高估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，不能反映真實(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力，因此在線性屈曲分析基礎(chǔ)上，考慮幾何非線性及初始缺陷，對(duì)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析。初始缺陷按一致缺陷模態(tài)法考慮，缺陷的最大值取為結(jié)構(gòu)跨度的1/300，考慮1.0恒載+1.0活載荷載工況，采用位移控制法進(jìn)行求解。經(jīng)計(jì)算，得到非線性屈曲穩(wěn)定系數(shù)為5.56，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[4]規(guī)定的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為4.2的要求，表明結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性能。

7 大跨度樓蓋舒適度分析

本工程健身區(qū)樓蓋跨度36.3m，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，具有節(jié)奏性運(yùn)動(dòng)的房間，當(dāng)樓蓋系統(tǒng)自振頻率小于5Hz時(shí)容易引起共振，健身區(qū)結(jié)構(gòu)豎向振型頻率1/0.289=3.46Hz<5Hz, 因此有必要進(jìn)行樓蓋振動(dòng)分析，判斷樓蓋振動(dòng)加速度是否滿足加速度限值要求。

采用MIDAS Gen7.3.0軟件建立舒適度分析的有限元計(jì)算模型，計(jì)算時(shí)偏安全考慮質(zhì)量源只計(jì)入1.0恒載。混凝土部分材料阻尼比取0.05，鋼結(jié)構(gòu)材料阻尼比取0.02，考慮動(dòng)力荷載影響，混凝土彈性模量提高1.2倍計(jì)算[6-7]?？紤]單人、多人行走、跑動(dòng)等多種工況[8]，得到樓蓋跨中節(jié)點(diǎn)振動(dòng)峰值加速度為0.06m/s2，根據(jù)美國技術(shù)應(yīng)用委員會(huì)ATC發(fā)布的設(shè)計(jì)指南[9]的建議，有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合加速度限值為0.5，可以判定樓蓋舒適度滿足要求。

8 下部混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土結(jié)構(gòu)二層平臺(tái)長(zhǎng)度約219m，體型超長(zhǎng)。針對(duì)本工程的特點(diǎn)，擬采取以下措施來減小因結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)引起的混凝土收縮和溫度應(yīng)力的不利影響：

(1)沿建筑環(huán)向、徑向位置設(shè)置伸縮后澆帶，間距控制在30～40m左右，且嚴(yán)格控制后澆帶的合攏時(shí)間及合攏溫度，合攏溫度不超過15℃。

(2)采用低水化熱的普通硅酸鹽水泥和級(jí)配良好的碎石骨料配制混凝土，并適量摻入粉煤灰。

(3)采用高效減水劑，降低水泥用量，嚴(yán)格控制水膠比。

(4)控制混凝土的入模溫度，盡量低溫入模。

(5)加強(qiáng)施工過程中混凝土的養(yǎng)護(hù)、覆蓋等。

(6)根據(jù)溫度作用計(jì)算結(jié)果，在樓板中布置直徑小、間距密的普通溫度應(yīng)力鋼筋。圖10為降溫工況下二層樓板溫度應(yīng)力?？梢?，沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)向溫度應(yīng)力較大，一般均為0.5～1.0MPa，洞口周邊局部應(yīng)力集中，最大溫度應(yīng)力約1.5MPa；三層及以上樓板溫度應(yīng)力顯著降低。樓板設(shè)計(jì)時(shí)，板縱筋間距不超過150mm，貫通鋼筋的配筋率每層每向不小于0.3%。

圖10 降溫工況下二層樓板溫度應(yīng)力/MPa

9 異形跳臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程跳臺(tái)造型獨(dú)特，塔身為光滑的空間曲面，采用清水混凝土。跳臺(tái)板標(biāo)高分別為10，7.5，5，3m，除標(biāo)高3m跳臺(tái)板豎向構(gòu)件為沿空間變截面的三角形柱截面外，其余標(biāo)高跳臺(tái)板豎向構(gòu)件均為類似菱形的筒體，墻體厚度由底板600mm均勻收至頂部300mm，菱形的角部位置設(shè)置異形暗柱。跳臺(tái)板懸挑前端均為200mm厚，根部位置由懸挑距離不同為300～550mm厚變化。圖11為跳臺(tái)整體計(jì)算模型，所有構(gòu)件均采用殼單元進(jìn)行模擬。

圖11 跳臺(tái)整體計(jì)算模型

根據(jù)國際泳聯(lián)設(shè)施規(guī)則2013-2017[10]要求，跳臺(tái)板的自振頻率≥10.0Hz，塔身自振頻率≥3.5Hz，整體結(jié)構(gòu)的自振頻率≥3.5Hz。表7為跳臺(tái)板及塔身基本振動(dòng)頻率?？梢?，跳臺(tái)板及塔身滿足上述要求。

跳臺(tái)板及塔身自振頻率 表7

跳臺(tái)板及塔身構(gòu)件通過SAP2000軟件截面切割提取內(nèi)力進(jìn)行配筋，且控制塔身鋼筋間距不超過150mm，塔身墻體單側(cè)受力縱筋的配筋率不小于0.3%，豎向弧度較大處附加鋼筋。

10 結(jié)論

(1)寧波奧體中心游泳館由下部混凝土結(jié)構(gòu)及上部鋼結(jié)構(gòu)組成，下部混凝土結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，其中支承鋼屋蓋桁架的框架柱采用型鋼混凝土柱。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體總裝模型計(jì)算分析，并設(shè)置相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)，整體總裝模型計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

(2)對(duì)健身區(qū)大跨度組合樓蓋進(jìn)行舒適度計(jì)算分析，結(jié)果表明，樓蓋具有適宜的剛度和舒適度。

(3)對(duì)于下部超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置伸縮后澆帶、計(jì)算分析樓蓋溫度應(yīng)力、對(duì)適當(dāng)部位配筋進(jìn)行加強(qiáng)以及在設(shè)計(jì)文件中明確相應(yīng)的施工措施，可有效地解決結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)問題。

(4)鋼屋蓋由管桁架及折線形剛架組成，結(jié)構(gòu)體系合理且較好地實(shí)現(xiàn)了建筑效果，穩(wěn)定分析顯示，鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。