許昌體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 雷,蘇 敏,董全利,王文標

(1.中建研科技股份有限公司，北京 100013； 2.悉地(北京)國際建筑設(shè)計顧問有限公司，北京 100013)

1 工程概況

許昌市體育會展中心體育場項目位于許昌新城北部區(qū)域的曹魏生態(tài)園南側(cè)，魏莊生活社區(qū)區(qū)域，總建筑面積45 500 m2，為中型乙級體育建筑，總坐席數(shù)32 450席。

體育場看臺高度10.483 m～27.740 m，為上下兩層不連續(xù)看臺。看臺外輪廓近似為圓形，南北長約225 m，東西寬約215 m。主體育場看臺上覆蓋了完整的環(huán)狀花瓣造型的鋼結(jié)構(gòu)罩棚，罩棚由18片造型相同的單元組成，寬約57.1 m。罩棚外邊緣東西向和南北向長均約270 m，罩棚最高點標高47.715 m(結(jié)構(gòu)中心線)。體育場立面效果圖見圖1。

主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚采用空間桁架組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。罩棚設(shè)內(nèi)外兩個支座，外支座位于2層室外平臺，內(nèi)支座位于看臺框架柱頂部。

本項目建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類[1]。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級[2]，建筑樁基安全等級一級?；炷量蚣芗凹袅拐鸬燃壘鶠橐患塠3]。

基本雪壓取值為0.45 kN/m2(100年重現(xiàn)期)。

由于本項目罩棚體型復(fù)雜、跨度較大，其風(fēng)致動力效應(yīng)較為顯著，根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定，本項目進行了風(fēng)洞試驗，根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果，進行風(fēng)致振動分析。設(shè)計中的風(fēng)荷載采用荷載規(guī)范與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行包絡(luò)取值，風(fēng)洞試驗縮尺模型見圖2。

本項目規(guī)范風(fēng)荷載取值如下：基本風(fēng)壓ω0=0.45 kN/m2(50年重現(xiàn)期，混凝土結(jié)構(gòu)取值)；ω0=0.50 kN/m2(100年重現(xiàn)期，鋼結(jié)構(gòu)取值)。風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz最大值為1.6，風(fēng)振系數(shù)罩棚前端βz=1.8，罩棚根部及墻面βz=1.4[4]。

結(jié)合許昌當(dāng)?shù)亟?0年氣象統(tǒng)計資料，本項目溫度作用取值如下：1)下部混凝土結(jié)構(gòu)升溫溫差+25 ℃；降溫溫差-25 ℃；2)上部鋼結(jié)構(gòu)升溫溫差+30 ℃；降溫溫差-30 ℃；3)合攏溫度取為(15±2)℃。考慮混凝土徐變變形引起的構(gòu)件應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛系數(shù)取0.4。

抗震設(shè)防烈度7度；設(shè)計基本地震加速度0.10g；設(shè)計地震分組為第一組；場地類別Ⅱ類；水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.08；特征周期Tg=0.35 s。

2 地基基礎(chǔ)

各土層力學(xué)指標見表1。

表1 土層力學(xué)指標

本工程基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑分為φ600 mm和φ800 mm兩種，自承臺底面算起有效樁長約28 m。樁端持力層為第⑨層或第⑩層粉質(zhì)黏土層，樁端全截面進入持力層不小于2.5倍樁徑。φ600 mm和φ800 mm樁單樁承載力特征值分別為2 250 kN和2 900 kN。

樁基承臺間設(shè)置雙向基礎(chǔ)拉梁，基礎(chǔ)拉梁截面300 mm×700 mm,300 mm×800 mm，單樁承臺厚度1 m，多樁承臺厚度1.5 m，承臺及基礎(chǔ)梁頂面標高為-1.500 m。

3 下部混凝土結(jié)構(gòu)

下部混凝土結(jié)構(gòu)外輪廓平面近似圓形，南北長約為225 m，東西寬約為215 m，看臺頂標高為10.483 m～27.740 m。其中，東西看臺地上3層，為兩層不連續(xù)看臺；南北看臺地上2層，為一層半看臺。首層觀眾平臺層高6.3 m，2層層高4.5 m，3層層高隨看臺頂標高變化。利用看臺建筑四周對稱分布的樓電梯間、設(shè)備管井均勻布置剪力墻，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，為上部鋼屋蓋提供可靠支承。下部混凝土結(jié)構(gòu)主要柱網(wǎng)尺寸約7 m～11 m，主要結(jié)構(gòu)布置及截面如下：

1)框架柱截面尺寸見表2。

表2 框架柱截面尺寸

2)框架梁及次梁：框架梁截面為400 mm×700 mm,400 mm×800 mm和400 mm×900 mm；局部鋼結(jié)構(gòu)下支座托梁截面600 mm×1 200 mm；觀眾疏散樓梯梯柱托梁600 mm×1 000 mm；次梁主要截面300 mm×700 mm和300 mm×800 mm；看臺斜梁截面500 mm×900 mm,600 mm×900 mm和600 mm×1 000 mm，看臺密肋梁截面180 mm×600 mm,180 mm×700 mm。

3)樓層板厚120 mm，2層平臺室外區(qū)域板厚140 mm，看臺前端挑板厚度150 mm，斜看臺板厚度100 mm。

4)剪力墻厚度均為400 mm。下部混凝土結(jié)構(gòu)模型三維圖見圖3。

本工程混凝土結(jié)構(gòu)外輪廓全長近700 m，整個平臺范圍內(nèi)主體結(jié)構(gòu)未設(shè)永久縫，屬超長混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計中采取了以下措施來減小混凝土收縮和溫度應(yīng)力的不利影響：1)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]的規(guī)定，沿看臺環(huán)向、徑向每隔30 m～40 m設(shè)一道伸縮后澆帶。2)混凝土中應(yīng)摻一定量的粉煤灰和高效減水劑。3)基礎(chǔ)底板及承臺利用混凝土60 d強度代替28 d強度進行配合比設(shè)計，減少水泥用量。4)粗骨料采用連續(xù)級配，細骨料采用中砂，控制粗、細骨料的含泥量。5)嚴格控制后澆帶封閉時間，后澆帶澆筑氣溫在15 ℃左右。6)適當(dāng)摻入膨脹纖維抗裂防水劑，其膨脹成分可補償混凝土的收縮，纖維則可有效提高混凝土的抗裂能力。7)看臺等超長部位混凝土澆筑在氣溫相對較低時進行,施工單位應(yīng)提出具體詳細的施工方案，進行專項論證后，方可施工。8)根據(jù)氣象統(tǒng)計資料以及施工過程，并考慮混凝土材料收縮徐變特性以及基礎(chǔ)的彈性剛度約束，根據(jù)溫度作用計算分析結(jié)果，在拉應(yīng)力較大的部位適當(dāng)配置溫度鋼筋。目前本項目混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工，后澆帶也已合攏，現(xiàn)場反饋效果良好。混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場航拍圖見圖4。

4 上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚

混凝土看臺頂部支承完整的環(huán)狀花瓣造型的鋼結(jié)構(gòu)罩棚，覆蓋大部分觀眾坐席。罩棚外輪廓平面為圓形，直徑約270 m，罩棚寬約57.1 m，最大懸挑長度37 m，罩棚結(jié)構(gòu)最高點標高48.45 m。

整個鋼罩棚由18片造型相同的單元組成，以“花瓣”為母體，經(jīng)過模數(shù)化處理后，每個單元包含大、小兩種花瓣組。鋼結(jié)構(gòu)罩棚三維計算模型俯視圖見圖5。

4.1 大花瓣構(gòu)成

每個大花瓣由徑向主桁架、環(huán)桁架及桁架間單層網(wǎng)殼構(gòu)成，其中徑向主桁架采用了倒三角形組合截面，主桁架最大懸挑長度約37.6 m，桁架肩部高度8 m，前端收至2.8 m。徑向主桁架之間設(shè)置了三道環(huán)桁架，分別位于徑向主桁架的懸挑前端及鋼結(jié)構(gòu)上支座支承位置，環(huán)桁架最大跨度約31 m，最大高度約5 m。徑向主桁架和環(huán)桁架之間區(qū)域采用單層網(wǎng)殼填充，單層網(wǎng)殼支承于主桁架和環(huán)桁架上弦。大花瓣結(jié)構(gòu)構(gòu)成見圖6。

為了加強屋蓋的整體剛度，在各徑向主桁架及環(huán)桁架自身上弦平面設(shè)置了斜腹桿，形成有效的屋蓋上弦支撐體系。

4.2 小花瓣構(gòu)成

大花瓣環(huán)桁架貫通小花瓣區(qū)域，并采用單層網(wǎng)殼填充大花瓣徑向主桁架和小花瓣環(huán)桁架圍合空間，并結(jié)合建筑造型，在墻面單層網(wǎng)殼收口位置設(shè)置端部水平桁架拱，小花瓣單層網(wǎng)殼支承于徑向主桁架、環(huán)桁架及桁架拱上弦。小花瓣結(jié)構(gòu)構(gòu)成見圖7。

鋼結(jié)構(gòu)罩棚構(gòu)件總用鋼量5 815 t(包括內(nèi)支座937 t)，按罩棚展開面積60 269 m2計，罩棚用鋼量指標為96.5 kg/m2，考慮支座節(jié)點以及加勁肋等構(gòu)造因素，鋼結(jié)構(gòu)實際用鋼量較理論用鋼量增大約15%～20%。鋼結(jié)構(gòu)罩棚主要桿件截面尺寸見表3。

表3 主要桿件截面尺寸 mm

5 結(jié)構(gòu)分析

本工程分析采用SAP2000 V20，Etabs 18兩款通用結(jié)構(gòu)軟件進行分析，兩者計算結(jié)果較為接近。

5.1 計算模型及假定

采用上部鋼結(jié)構(gòu)及下部混凝土結(jié)構(gòu)整體三維計算模型對本工程進行結(jié)構(gòu)有限元分析，模型中梁柱采用Frame單元，樓板、混凝土剪力墻采用殼元并細分模擬；樓梯及看臺斜板采用膜元，主要計算參數(shù)：

阻尼比：0.02用于上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，0.035用于下部混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。嵌固端為基礎(chǔ)承臺頂面。

懸挑桁架弦桿為剛接連續(xù)，腹桿與弦桿采用剛接、鉸接包絡(luò)計算，單層網(wǎng)殼兩端剛、鉸接雙控計算，內(nèi)支座上端與主桁架下弦鉸接，內(nèi)支座與柱頂、外支座與看臺連接節(jié)點按鉸接考慮。

整體結(jié)構(gòu)三維計算模型簡圖見圖8，模型剖面圖 9。

5.2 反應(yīng)譜分析

經(jīng)整體分析，結(jié)構(gòu)模態(tài)分布如下：

第1階為鋼結(jié)構(gòu)x向振型(Tx=1.127 s)；第3階為鋼結(jié)構(gòu)y向振型(Ty=1.006 s)；第8階為鋼結(jié)構(gòu)豎向振型(Tz=0.646 s)；第12階為鋼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型(Tx=0.562 s)；第23階為整體結(jié)構(gòu)x向平動主振(Tx=0.386 s)；第24階為整體結(jié)構(gòu)y向平動主振型(Ty=0.273 s) 。

主體結(jié)構(gòu)前幾階均為鋼結(jié)構(gòu)平動及豎向振動，鋼結(jié)構(gòu)豎向振動頻率1.54 Hz>1.0 Hz，滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)主振型出現(xiàn)在第12階，扭轉(zhuǎn)周期與平動周期比Tt/Tx=0.562/1.127=0.498<0.9，滿足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)第23階以后為混凝土結(jié)構(gòu)主振型，第23階，第24階分別為混凝土結(jié)構(gòu)X向和Y向平動主陣型，混凝土結(jié)構(gòu)無明顯扭轉(zhuǎn)主振型。下部混凝土結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1 639，滿足要求。結(jié)構(gòu)最小剪重比為3.16%，滿足規(guī)范要求。

5.3 靜力分析

鋼結(jié)構(gòu)在主要靜力荷載組合下的應(yīng)力分布如圖10所示。

大部分桿件的最大應(yīng)力比均受恒、活荷載以及風(fēng)荷載組合控制，應(yīng)力比均低于0.9，滿足規(guī)范要求[6]。恒+活標準組合下罩棚前端最大豎向位移見表4。

表4 罩棚懸挑前端最大位移值

懸挑端部最大位移1/203<1/125,滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖11所示。

在恒、活、風(fēng)、溫及小震最不利組合工況下，看臺最內(nèi)圈短柱配筋率0.95%～4%，最外圈柱配筋率約0.95%～1.5%，支承鋼結(jié)構(gòu)下支座V型柱配筋率為1.3%～2.9%，支承鋼結(jié)構(gòu)上支座柱配筋率為1.15%～1.5%，其他柱縱筋基本為構(gòu)造配筋。

看臺斜梁配筋率0.8%～1.9%，其他梁配筋率0.5%～1.7%。

混凝土結(jié)構(gòu)框架柱軸壓比為0.15～0.65，看臺前排柱軸壓比較低，其配筋主要為受彎控制。剪力墻最大軸壓比0.30。

5.4 溫度作用分析

在降溫單工況下，2層(標高6.300 m)樓板的應(yīng)力云圖見圖12，圖13。其中,S11為徑向應(yīng)力，S22為環(huán)向應(yīng)力。

首層樓板在降溫工況下，樓板拉應(yīng)力為1.0 MPa～1.5 MPa，適當(dāng)加強樓板配筋即可滿足溫度作用的影響要求。依據(jù)許昌市氣象統(tǒng)計資料細化整體結(jié)構(gòu)溫度的計算，與施工過程結(jié)合，考慮混凝土的收縮徐變效應(yīng)，準確反映結(jié)構(gòu)在全年溫度變化下受力形態(tài)。并在施工過程中采用合理措施減小溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的負面影響。2層、3層樓板拉應(yīng)力水平較低，均在1.0 MPa以下。

降溫作用下，在東西兩側(cè)筒體底部有拉應(yīng)力產(chǎn)生，約2.5 MPa～3.0 MPa，在局部洞口邊緣有應(yīng)力集中，約4 MPa，通過墻肢均勻配筋可滿足要求。

框架柱受溫度作用影響較大，平臺外圈柱和看臺前端柱尤其明顯?？紤]溫度作用時，東西側(cè)內(nèi)圈框架柱配筋率約1.0%，南北側(cè)內(nèi)圈框架柱配筋率約3.5%，平臺框架柱配筋率約0.95%～1.5%?？蚣芰菏軠囟扔绊懸草^為明顯，配筋增大約5%～15%。

5.5 中震復(fù)核

1)中震彈性：水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.224，場地特征周期Tg=0.35 s。不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，材料強度取設(shè)計值，考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE，考慮雙向水平地震作用及偶然偏心影響。

2)中震不屈服：水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.224，場地特征周期Tg=0.35 s。不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)(即強柱弱梁、強剪弱彎調(diào)整系數(shù))，取1.0。各項作用分項系數(shù)取1.0，不計抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強度取標準值。

經(jīng)復(fù)核鋼結(jié)構(gòu)桿件均滿足中震彈性要求。中震彈性工況下，鋼結(jié)構(gòu)下支座V型柱配筋率略有增大，增至3.4%，南北看臺鋼結(jié)構(gòu)上支座配筋率增大至1.73%。

中震不屈服工況下，東西看臺最內(nèi)側(cè)柱配筋率增加至2.59%～3.28%，較恒、活、風(fēng)、溫及小震組合工況下有較大增大，其他柱中震不屈服工況配筋率未增加。

5.6 非線性屈曲分析

本項目對鋼結(jié)構(gòu)進行了整體非線性屈曲穩(wěn)定分析。

結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定性極限承載力時，對應(yīng)的豎向基底總反力FZ=1 241 379 kN。靜力計算中在恒荷載和活荷載標準值作用下，基底總反力為139 203 kN，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限承載力臨界系數(shù)K=1 241 379/139 203=8.91>4.2，滿足規(guī)程要求[7]。計算結(jié)果見圖14。

6 節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)罩棚上支座混凝土柱均采用型鋼混凝土柱，柱直徑1 200 mm，內(nèi)置十字鋼骨?？磁_斜梁及環(huán)梁與此處相交位置鋼筋與鋼骨的關(guān)系較為復(fù)雜，典型節(jié)點做法見圖15。

罩棚上支座四根支座桿件交匯，交匯處相貫節(jié)點焊接較為困難，局部采用鑄鋼節(jié)點，鑄鋼件材質(zhì)為G20Mn5QT，做法見圖16～圖18。

7 結(jié)語

經(jīng)過上述分析，本項目很好的實現(xiàn)了既定的結(jié)構(gòu)性能目標，經(jīng)濟性也控制在合理水平，建筑效果得到了很好的實現(xiàn)。目前本項目混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部封頂，鋼結(jié)構(gòu)加工已經(jīng)部分完成,望這篇文章可供類似項目借鑒參考。