三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁宸宇， 朱忠義， 白光波， 陳 一， 王 瑋， 孫桐海， 薛 原， 劉曉剛

(1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045； 2 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013；3 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

1 項(xiàng)目概況

三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目位于三亞市吉陽(yáng)區(qū)，其中體育中心為產(chǎn)業(yè)園核心公共組團(tuán)，包括體育場(chǎng)、體育館、游泳館等體育場(chǎng)館設(shè)施。三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園體育場(chǎng)為復(fù)雜的甲級(jí)大型體育建筑，總建筑面積約8.7萬(wàn)m2，可容納觀(guān)眾坐席4.1萬(wàn)余座，建成后將作為第六屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)主會(huì)場(chǎng)。體育場(chǎng)下部結(jié)構(gòu)為觀(guān)眾看臺(tái)、疏散平臺(tái)及各功能用房，平面外輪廓近似五邊形，南北方向長(zhǎng)約314m，東西方向?qū)捈s283m，看臺(tái)頂標(biāo)高16.50～22.90m。體育場(chǎng)看臺(tái)上空覆蓋了完整的環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)罩棚。罩棚外輪廓為五邊形，內(nèi)輪廓近似橢圓形，其外輪廓南北方向最大約305m，東西方向約270m，內(nèi)側(cè)開(kāi)口尺寸南北方向約172m，東西方向134m，最高點(diǎn)標(biāo)高約46.00m[1]。三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園整體建筑效果如圖1所示。

圖1 三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園整體建筑效果圖

2 鋼結(jié)構(gòu)體系

三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園體育場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)由混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)布置軸測(cè)圖見(jiàn)圖2。下部混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)地上共四層，首層觀(guān)眾平臺(tái)層高6m，二、三層層高4.5m，頂部看臺(tái)層高隨看臺(tái)頂標(biāo)高變化。鋼結(jié)構(gòu)由屋頂結(jié)構(gòu)和外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖3，4。屋頂結(jié)構(gòu)支承于外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈環(huán)梁上，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)支承于下部看臺(tái)結(jié)構(gòu)上。外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)外輪廓平面投影為不規(guī)則的倒角五邊形，五邊形最小邊長(zhǎng)162.4m，最大邊長(zhǎng)262.8m，屋頂中心開(kāi)口為由四段圓弧組成的四心圓，開(kāi)口短軸為134.0m，長(zhǎng)軸為171.8m，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)與屋頂結(jié)構(gòu)交界為與中心開(kāi)口相似的四心圓，短軸為224.0m，長(zhǎng)軸為261.8m。屋頂最高點(diǎn)標(biāo)高約46.00m。

圖2 整體結(jié)構(gòu)布置軸測(cè)圖

圖3 鋼結(jié)構(gòu)分解圖

圖4 鋼結(jié)構(gòu)平面布置圖

屋頂結(jié)構(gòu)支承于外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)梁，由輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)和索、鋼拱支撐的PTFE膜結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)體系如圖5所示。輪輻式索桁架由徑向索桁架以及內(nèi)拉環(huán)構(gòu)成，懸挑45m。索桁架共設(shè)52道，由上部承重索和下部抗風(fēng)索以及二者之間的壓桿構(gòu)成。內(nèi)拉環(huán)由上下兩層環(huán)索構(gòu)成。膜拱與拱下拉索鉸接于上徑向索(抗風(fēng)索)，膜四邊接于相鄰的徑向索及鋼拱上。索桁架結(jié)構(gòu)中，徑向索和環(huán)索為1 570級(jí)封閉索，撐桿為圓鋼管。上層環(huán)索采用8根φ80索雙層并排；下層環(huán)索采用8根φ110索雙層并排；上徑向索采用φ85(南北側(cè))和φ75(東西側(cè))兩種規(guī)格；下徑向索采用φ120(南北側(cè))和φ105(東西側(cè))兩種規(guī)格；內(nèi)環(huán)交叉索采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉索(簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP索)，索體有效截面面積為1 200mm2，公稱(chēng)破斷力不低于2 880kN。膜結(jié)構(gòu)中，鋼拱截面為圓鋼管，鋼拱下采用φ25環(huán)向拉索。

圖5 屋頂索膜結(jié)構(gòu)體系示意圖

外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)屋頂由內(nèi)環(huán)梁、外環(huán)梁、交叉梁系構(gòu)成平面環(huán)桁架結(jié)構(gòu)，屋頂支承結(jié)構(gòu)由72根內(nèi)環(huán)V型鋼柱、72根外環(huán)鋼柱及局部設(shè)置的18根中部支撐鋼柱組成。鋼柱通過(guò)固定鉸支座連接于下部看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的不同樓層，鋼柱與屋頂環(huán)桁架均采用鉸接連接，結(jié)構(gòu)體系如圖6所示。內(nèi)環(huán)梁采用Q345GJC級(jí)鋼材，其他構(gòu)件采用Q355B級(jí)鋼材。內(nèi)環(huán)梁采用□1 300×1 500×50×50箱形截面，外環(huán)梁采用□1 200×1 200×20×35箱形截面；交叉梁系采用箱形截面，梁高800～1 200mm，梁寬400～600mm。內(nèi)環(huán)V型鋼柱采用φ1 200×20圓鋼管，外環(huán)柱采用魚(yú)腹式箱形變截面□(900～1 500～900)×600×20×20，中部支撐柱采用φ600×20圓鋼管。

圖6 外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)體系示意圖

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)選型

本項(xiàng)目屋頂輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)邊界為近似橢圓形，環(huán)梁在索拉力作用下，受力和變形不均勻。環(huán)梁除承受較大軸向壓力外，水平方向還承受較大彎矩，導(dǎo)致環(huán)梁截面寬度大，經(jīng)濟(jì)性不好，并且影響建筑效果和使用。

利用外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)共同受力支承內(nèi)側(cè)的索桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種鉸接柱支承的水平桁架結(jié)構(gòu)體系[2]，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)體系由水平環(huán)桁架、內(nèi)環(huán)柱以及外環(huán)柱組成。

圖7 鉸接柱支承的水平桁架結(jié)構(gòu)體系

在內(nèi)環(huán)梁和外環(huán)梁之間布置交叉梁系，形成水平放置的平面環(huán)桁架，通過(guò)水平環(huán)桁架的整體作用，由內(nèi)、外兩道環(huán)梁共同承擔(dān)由索桁架結(jié)構(gòu)拉力引起的軸向壓力，減小環(huán)梁截面。交叉梁系與內(nèi)環(huán)梁相交于索桁架端點(diǎn)，使索拉力作用在水平環(huán)桁架的弦腹桿節(jié)點(diǎn)處，這樣就減少了索拉力對(duì)內(nèi)環(huán)梁產(chǎn)生的水平方向次彎矩，進(jìn)一步減小了內(nèi)環(huán)梁截面。最終采用環(huán)梁的最大截面尺寸僅為1.3m×1.5m。

內(nèi)、外環(huán)柱均為兩端鉸接柱。內(nèi)環(huán)鉸接柱呈V型布置，相鄰兩對(duì)V型鋼柱的柱頂交于內(nèi)環(huán)梁的同一點(diǎn)，形成鋸齒狀首尾相接的環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)，成為整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系。外環(huán)鉸接柱單根獨(dú)立布置，作為搖擺柱，承擔(dān)外環(huán)屋頂部分豎向荷載和外立面風(fēng)荷載，不作為抗側(cè)力構(gòu)件。所有支承柱均為兩端鉸接柱，受力簡(jiǎn)單。柱頂與環(huán)梁鉸接可避免環(huán)梁因柱端彎矩而受扭，即環(huán)梁與柱交點(diǎn)不必布置交叉梁，因此可使索桁架及交叉梁系的布置不受柱位的影響，結(jié)構(gòu)布置靈活。柱底鉸接對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)不傳遞彎矩，使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。

3.2 形態(tài)分析

對(duì)索膜結(jié)構(gòu)首先需進(jìn)行形態(tài)分析，得到合理的結(jié)構(gòu)初始態(tài)。初始態(tài)包含屋頂結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力組合作用下的索力分布以及相應(yīng)的幾何位形，其中幾何位形應(yīng)與預(yù)期的建筑幾何相符。形態(tài)分析是索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要工作和核心內(nèi)容，形態(tài)分析得到的包含結(jié)構(gòu)位形和內(nèi)力信息的初始態(tài)是后續(xù)荷載態(tài)分析和施工過(guò)程分析的基礎(chǔ)[3]。

本項(xiàng)目對(duì)索膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行找形分析時(shí)，首先在剛性邊界條件下，使零狀態(tài)和初始態(tài)下徑向索和環(huán)索的節(jié)點(diǎn)位置與建筑幾何一致，即索在預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重的共同作用下不產(chǎn)生變形。然后考慮外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)提供的彈性邊界影響，對(duì)索膜結(jié)構(gòu)的幾何及預(yù)應(yīng)力進(jìn)行修正，使初始態(tài)下的徑向索、環(huán)索節(jié)點(diǎn)位置以及拉索預(yù)應(yīng)力分布與剛性邊界條件一致。

通過(guò)形態(tài)分析得到的初始態(tài)鋼結(jié)構(gòu)變形如圖8所示。由圖8可以看到，屋頂索結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生變形，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)最大位移為61mm。初始態(tài)屋頂結(jié)構(gòu)位形與目標(biāo)建筑幾何完全一致。

圖8 初始態(tài)下的鋼結(jié)構(gòu)變形云圖/m

3.3 荷載態(tài)分析

在3.2節(jié)形態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)初始態(tài)基礎(chǔ)上，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)變形和承載力進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)變形時(shí)，計(jì)算分析屋頂在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合、恒荷載與風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的撓度，計(jì)算分析支承結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地震作用標(biāo)準(zhǔn)值下的柱頂側(cè)移和外環(huán)柱在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下的撓度。驗(yàn)算屋頂索膜結(jié)構(gòu)變形時(shí)，計(jì)算分析恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合、恒荷載與風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的撓度[4]。

控制工況下，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)各部位的撓度和柱頂側(cè)移分別見(jiàn)表1、表2。由表1，2可見(jiàn)，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)撓度及柱頂位移滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)規(guī)定的結(jié)構(gòu)變形容許值要求。

控制工況下的外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)撓度 表1

控制工況下的外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)柱頂側(cè)移 表2

控制工況下，索桁架結(jié)構(gòu)懸挑端豎向位移絕對(duì)值及其與懸挑長(zhǎng)度的比值見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，無(wú)論在上吸還是下壓主導(dǎo)的荷載組合作用下，索桁架結(jié)構(gòu)懸挑端豎向位移均滿(mǎn)足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)規(guī)定的變形容許值要求。

控制工況下的索桁架結(jié)構(gòu)懸挑端豎向位移 表3

根據(jù)《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 158∶2015)[5]，膜結(jié)構(gòu)相對(duì)于兩側(cè)邊界支承的位移不得大于該膜對(duì)應(yīng)跨度的1/15。本項(xiàng)目膜結(jié)構(gòu)通過(guò)索和小拱被分割為小區(qū)塊，圖9為膜結(jié)構(gòu)名義跨度示意。經(jīng)計(jì)算，屋頂膜結(jié)構(gòu)各區(qū)塊的最大撓跨比1/21，滿(mǎn)足1/15的限值要求。

圖9 膜結(jié)構(gòu)名義跨度示意

對(duì)外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了非抗震組合和抗震組合下的承載力驗(yàn)算。構(gòu)件穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度取值如表4所示。經(jīng)驗(yàn)算，非抗震組合、小震組合作用下，內(nèi)環(huán)梁、內(nèi)環(huán)V型鋼柱等關(guān)鍵構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.73，一般構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.8；中震彈性組合作用下，所有構(gòu)件應(yīng)力比均不大于1.0；大震不屈服組合作用下，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力比均不大于1.0。結(jié)果表明，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力能夠滿(mǎn)足設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)和性能目標(biāo)。

外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度取值 表4

根據(jù)整體鋼結(jié)構(gòu)模型在各工況下的非線(xiàn)性計(jì)算結(jié)果，對(duì)索結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。表5為拉索的安全系數(shù)。由表5可見(jiàn)，環(huán)索、徑向索等主索最低安全系數(shù)為2.42，內(nèi)環(huán)交叉索、膜拱下拉索、膜結(jié)構(gòu)邊索等次索最低安全系數(shù)為2.15，均滿(mǎn)足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)的要求。撐桿在各工況下的最大應(yīng)力比為0.7。結(jié)果表明，索結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力滿(mǎn)足要求。

拉索安全系數(shù) 表5

利用整體鋼結(jié)構(gòu)模型非線(xiàn)性計(jì)算的結(jié)果，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 158∶2015)[5]，在第一類(lèi)荷載組合下，膜結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為18.7MPa，小于此時(shí)膜結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值21.75MPa。在第二類(lèi)荷載組合下，膜結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為25.7MPa，小于此時(shí)膜結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值45.75MPa。結(jié)果表明，膜結(jié)構(gòu)承載力滿(mǎn)足要求。

3.4 整體穩(wěn)定性分析

作為索桁架結(jié)構(gòu)的支承體系，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)承受了很大的軸向壓力，避免失穩(wěn)破壞是本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。為了研究鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能，可通過(guò)引入結(jié)構(gòu)初始缺陷，考慮幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性進(jìn)行全過(guò)程分析，得到結(jié)構(gòu)極限承載力。

采用ANSYS軟件對(duì)外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行分析。為了精確計(jì)算構(gòu)件的P-δ效應(yīng)，對(duì)每個(gè)鋼構(gòu)件進(jìn)行了細(xì)分來(lái)模擬梁?jiǎn)卧叽雾?xiàng)的影響，以達(dá)到提高計(jì)算精度的目的。參考《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，將鋼構(gòu)件的初始缺陷設(shè)為構(gòu)件長(zhǎng)度的1/1 000。為考慮材料非線(xiàn)性，將鋼材本構(gòu)關(guān)系定義為理想彈塑性模型。索結(jié)構(gòu)在工作中通常受拉，因此重點(diǎn)考慮鋼結(jié)構(gòu)在受壓后的屈曲，同時(shí)關(guān)注索力是否達(dá)到破斷力。

經(jīng)計(jì)算，整體鋼結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載組合作用下的極限承載力系數(shù)為3.7，對(duì)應(yīng)的環(huán)索節(jié)點(diǎn)荷載-位移全過(guò)程曲線(xiàn)如圖10所示。恒荷載與風(fēng)荷載組合作用下整體鋼結(jié)構(gòu)的極限承載力系數(shù)最低值為3.1，相應(yīng)風(fēng)荷載方向?yàn)?00°風(fēng)向角，對(duì)應(yīng)的交叉梁節(jié)點(diǎn)荷載-位移全過(guò)程曲線(xiàn)如圖11所示。在上述計(jì)算過(guò)程中，拉索索力均未達(dá)到破斷力。由此可見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性能滿(mǎn)足要求。

圖10 恒荷載+活荷載下的 環(huán)索節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線(xiàn)

圖11 恒荷載+風(fēng)荷載(300°)下的交叉梁節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線(xiàn)

3.5 抗連續(xù)倒塌分析

本項(xiàng)目拉索作為結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，承擔(dān)著較大荷載，一旦因突發(fā)事件導(dǎo)致斷索，可能引發(fā)周邊構(gòu)件連續(xù)破壞，乃至結(jié)構(gòu)整體倒塌。針對(duì)結(jié)構(gòu)中某一典型拉索發(fā)生偶然斷索的情況，利用ANSYS軟件的生死單元技術(shù)模擬拉索失效，采用瞬態(tài)動(dòng)力分析方法進(jìn)行斷索分析[6]，研究結(jié)構(gòu)在斷索后的動(dòng)力響應(yīng)和抗倒塌性能。動(dòng)力分析時(shí)長(zhǎng)取20s。

分別模擬分析下徑向索(承重索)、下環(huán)索1/4截面、上環(huán)索1/4截面發(fā)生偶然斷索三種工況，限于篇幅僅列出下徑向索斷索動(dòng)力分析結(jié)果,如圖12，13所示。三種工況分析結(jié)果表明，斷索對(duì)局部影響較大，對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大，斷索后其余拉索的應(yīng)力均低于0.55倍鋼索的破斷應(yīng)力，仍處于彈性狀態(tài)，不會(huì)引起連續(xù)斷索導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌。

圖12 斷索節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)

圖13 斷索及相鄰下徑向索應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

3.6 施工次序?qū)?nèi)環(huán)梁的影響

當(dāng)外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)施工安裝完成后再安裝索結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)環(huán)梁在豎向有V型鋼柱作為側(cè)向支撐，在水平方向有交叉梁系作為側(cè)向支撐，穩(wěn)定性較好。此時(shí)內(nèi)環(huán)梁的計(jì)算長(zhǎng)度，在水平環(huán)桁架平面內(nèi)可取為不大于相鄰交叉梁端節(jié)間長(zhǎng)度，在水平環(huán)桁架平面外可取為不大于相鄰V型鋼柱頂節(jié)間長(zhǎng)度。

如索結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)僅內(nèi)環(huán)梁、V型鋼柱安裝完成，此時(shí)內(nèi)環(huán)梁尚未與外環(huán)梁、交叉梁系形成水平環(huán)桁架，內(nèi)環(huán)梁因在水平方向缺少側(cè)向支撐而更容易沿該方向發(fā)生失穩(wěn)。在該施工過(guò)程荷載狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性屈曲分析，得到內(nèi)環(huán)梁的最低階屈曲模態(tài)如圖14所示。

圖14 施工過(guò)程內(nèi)環(huán)梁最低階屈曲模態(tài)(特征值6.74)

由靜力荷載及屈曲特征值計(jì)算得到內(nèi)環(huán)梁的屈曲臨界荷載Pcr，再根據(jù)歐拉公式反算求得此時(shí)內(nèi)環(huán)梁計(jì)算長(zhǎng)度l0[7]，l0約為兩倍V型鋼柱頂節(jié)間長(zhǎng)度。施工過(guò)程內(nèi)環(huán)梁截面驗(yàn)算時(shí)按此計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行取值。

3.7 CFRP索應(yīng)用

目前索結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的拉索以鋼索為主，包括鋼絲束索體、鋼絞線(xiàn)索體、鋼絲繩索體等。鋼索本身的密度和彈性模量與鋼材較為接近。

為提高本工程輪輻式索桁架的整體剛度，在索桁架內(nèi)環(huán)沿全周設(shè)置了滿(mǎn)布的交叉索。這些內(nèi)環(huán)交叉索在抵抗內(nèi)環(huán)不均勻變形時(shí)承受較大的拉力，采用鋼索時(shí)需要較大的截面，由此帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：1)交叉索截面較大，會(huì)在索桁架懸挑端增加較大的自重，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不利。2)截面較大的交叉索軸向剛度較大，會(huì)造成上、下環(huán)索內(nèi)力均勻性變差，而相鄰網(wǎng)格環(huán)索內(nèi)力的明顯差異會(huì)在環(huán)索索夾上產(chǎn)生較大不平衡力。索夾的抗滑移承載力無(wú)法滿(mǎn)足不平衡力的要求時(shí)，尚須增設(shè)平衡索等復(fù)雜的措施以抵抗上述過(guò)大的不平衡力。如果可采用一種比鋼索強(qiáng)度更高、重量更輕的拉索，則可減小索體截面和剛度、減輕自重，能夠有效解決上述問(wèn)題。

碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP)是一種新型的高性能復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等諸多優(yōu)異的力學(xué)性能[8]。為此，采用CFRP索代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索用于內(nèi)環(huán)交叉索[9]，設(shè)計(jì)參數(shù)要求見(jiàn)表6。索體采用平行板索，錨具采用耳板式錨具。錨具耳板與索體接觸一側(cè)加工為波形，以獲得足夠的夾持力，如圖15所示。將CFRP索應(yīng)用于本工程索桁架內(nèi)環(huán)交叉索，與采用傳統(tǒng)鋼索相比，索體有效截面積減小約40%，自重減輕約80%，并且因其較小的索體軸向剛度，減小了對(duì)環(huán)索內(nèi)力的影響，顯著降低了索夾承受的不平衡力，簡(jiǎn)化了索夾構(gòu)造，省去了平衡索等抵抗不平衡力的附加措施。

圖15 CFRP索錨具形式

表6 CFRP索設(shè)計(jì)參數(shù)

3.8 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

索桁架徑向索通過(guò)耳板與外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)梁連接，內(nèi)環(huán)梁通過(guò)銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)同V型鋼柱頂鉸接連接。由于本項(xiàng)目V型鋼柱向體育場(chǎng)外傾斜，對(duì)于索耳板位于柱頂節(jié)點(diǎn)區(qū)的部位，柱端節(jié)點(diǎn)板沿結(jié)構(gòu)徑向設(shè)置會(huì)與徑向索耳板存在沖突，兩者夾角過(guò)小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫密集。為此，將柱端節(jié)點(diǎn)板沿結(jié)構(gòu)環(huán)向設(shè)置，即與徑向索耳板垂直相交，同時(shí)在柱端銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)設(shè)置關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)V型鋼柱沿結(jié)構(gòu)徑向的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖16所示。

對(duì)此類(lèi)受力復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用有限元方法進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)環(huán)梁加勁肋設(shè)置的位置、數(shù)量和板厚進(jìn)行了優(yōu)化。

索桁架內(nèi)環(huán)索索夾節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼件，該鑄鋼件與徑向索連接位置的厚度最大達(dá)到190mm，如圖17所示。我國(guó)規(guī)范《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235∶2008)、《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 395—2017)對(duì)于G20Mn5等常用鑄鋼材料僅給出了鑄件厚度不大于100mm時(shí)的力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)于厚度大于100mm的情況缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)。參考?xì)W洲規(guī)范BS EN 10293∶2015[10]，選用了G10MnMoV6-3材質(zhì)進(jìn)行鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。根據(jù)BS EN 10293∶2005規(guī)定，G10MnMoV6-3材質(zhì)鑄件厚度在100～150mm之間時(shí)，屈服強(qiáng)度Rp0.2為380MPa、伸長(zhǎng)率為28%；鑄件厚度在150～250mm時(shí)，屈服強(qiáng)度Rp0.2為350MPa、伸長(zhǎng)率為18%，均優(yōu)于或接近G20Mn5材質(zhì)在鑄件板厚100mm時(shí)的屈服強(qiáng)度Rp0.2(300MPa)及伸長(zhǎng)率(22%)，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖17 索桁架下環(huán)索索夾節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)論

三亞國(guó)際體育產(chǎn)業(yè)園體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)體系由外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)、輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)、屋頂膜結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)跨度大，體型不規(guī)則，體系復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大。

(1)設(shè)計(jì)了一種鉸接柱支承的水平桁架結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)水平環(huán)桁架的整體作用減小了環(huán)梁截面，支承柱兩端鉸接，受力簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)布置靈活，同時(shí)使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。

(2)通過(guò)形態(tài)分析，考慮外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)提供的彈性邊界影響，實(shí)現(xiàn)了索桁架結(jié)構(gòu)初始態(tài)位形與目標(biāo)建筑幾何一致。在形態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)初始態(tài)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)位移和承載力均能滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范的要求。

(3)引入結(jié)構(gòu)初始缺陷，考慮幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性進(jìn)行全過(guò)程分析，得到鋼結(jié)構(gòu)極限承載力。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性能滿(mǎn)足要求。

(4)分別對(duì)下徑向索(承重索)、下環(huán)索1/4截面上環(huán)索1/4截面發(fā)生偶然斷索的三種工況進(jìn)行了動(dòng)力分析。結(jié)果表明，斷索對(duì)局部影響較大，對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大，不會(huì)引起連續(xù)斷索導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌。

(5)考慮索結(jié)構(gòu)安裝時(shí)外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)僅內(nèi)環(huán)梁、V型鋼柱安裝完成的情況，通過(guò)線(xiàn)性屈曲分析得到內(nèi)環(huán)梁的屈曲臨界荷載，進(jìn)而反算得到其計(jì)算長(zhǎng)度，用于施工過(guò)程承載力驗(yàn)算。

(6)將CFRP索代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索應(yīng)用于索桁架內(nèi)環(huán)交叉索，減輕了索結(jié)構(gòu)懸挑端的自重，減小了交叉索對(duì)環(huán)索內(nèi)力的影響，降低了索夾承受的不平衡力，簡(jiǎn)化了索夾構(gòu)造，節(jié)省了平衡索等抵抗不平衡力的附加措施。

(7)對(duì)受力復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將G10MnMoV6-3鑄鋼材質(zhì)應(yīng)用于本工程，設(shè)計(jì)了強(qiáng)度和延性等均能滿(mǎn)足要求的索夾鑄鋼節(jié)點(diǎn)。