重競技體育館大跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

朱金坤 劉 斌 賀星新

（南京市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概況

南京清涼山重競技訓(xùn)練館項目位于城西干道西側(cè)，南京母親河——秦淮河?xùn)|側(cè)，屬于秦淮風(fēng)光帶范圍內(nèi)。風(fēng)光帶內(nèi)建筑限高20m，訓(xùn)練館東西向長度105.1m，南北寬35.8m?？拷鼗春游鱾?cè)，建筑使用功能為辦公管理，地上五層。根據(jù)使用功能的要求，首層層高4.0m，二～四層層高3.2m，五層層高4.2m。東側(cè)區(qū)域為訓(xùn)練館，首層層高4.75m，使用功能為摔跤館、散手、拳擊訓(xùn)練館；二層層高4.75m，使用功能為跆拳道、器械訓(xùn)練館；三層層高10m，使用功能為羽毛球館和籃球館。

根據(jù)功能分區(qū)，東西兩側(cè)層高及層數(shù)不同，為錯層結(jié)構(gòu)，東西向剖面圖見圖1。

圖1 東西向剖面圖

為簡化結(jié)構(gòu)模型，使其受力合理，形成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，在軸線4及軸線5處設(shè)置結(jié)構(gòu)抗震縫兼做溫度變形縫，分成兩個結(jié)構(gòu)單元，西側(cè)辦公區(qū)平面尺寸為14.80m×35.80m的規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)單元，屬于常規(guī)尺寸、常規(guī)設(shè)計。東側(cè)形成一個平面尺寸為90m×35.8m的平面T形建筑，柱網(wǎng)尺寸為9m×10m，為了滿足使用功能，一層二層各跨抽柱子，形成18m×20m的大跨樓蓋。三層抽掉中間一排框架柱，形成一個單跨度20m大跨空間，以滿足羽毛球館及籃球館的要求，效果圖如圖2。

圖2 建筑效果圖

訓(xùn)練區(qū)域根據(jù)使用功能，要求首層及二層訓(xùn)練館需要滿足比賽區(qū)域凈高不低于4.00m，三層羽毛球館凈高不低于9.0m。為此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要考慮四個結(jié)構(gòu)方案：（1）600mm厚現(xiàn)澆空心樓蓋；（2）650mm厚現(xiàn)澆空心樓蓋；（3）700mm厚現(xiàn)澆空心樓蓋；（4）密肋樓蓋，密肋梁折算截面200mm×750mm。項目現(xiàn)場有一座近百年的訓(xùn)練跳傘的傘塔，緊鄰新建大樓，為保留傳統(tǒng)，盡可能與周邊建筑協(xié)調(diào)，最終在這四個方案中進(jìn)行比選。

2 訓(xùn)練館結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)及方案

結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，體育訓(xùn)練館抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防（乙類）；辦公部分抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙類），其中重競技訓(xùn)練館框架抗震等級為二級，辦公區(qū)域抗震等級為三級。基本風(fēng)壓0.4kN/m2[1]，基本雪壓0.65kN/m2，抗震設(shè)防烈度7度（0.1g），場地特征周期為0.35s，二類場地。體育訓(xùn)練館活荷載取值為5.0kN/m2，面層厚度100mm[2]，局部一層地下室，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，既抗拔又抗壓，設(shè)計要求按柱網(wǎng)軸線進(jìn)行工勘。方案1～3為現(xiàn)澆空心圓管樓蓋，二層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖3。

圖3 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖

重競技訓(xùn)練館因使用的特殊性，需要大跨，凈高不低于4m，樓板剛度有要求。規(guī)范要求的強度及撓度(L/400)設(shè)計，訓(xùn)練要求活荷載撓度不高于L/500。從凈高要求直接排除傳統(tǒng)主次梁方案，保留密肋梁和現(xiàn)澆空心板兩個方案。其中針對空心板的厚度不同進(jìn)行更加細(xì)致地分析比選，見表1。

表1 方案比選

結(jié)合施工便利性及施工成本，選擇板厚650mm，內(nèi)置BDF薄壁空心筒體構(gòu)件，空心管外徑400mm，上下預(yù)留板厚最薄處分別為130mm和120mm。如圖4。

圖4 現(xiàn)澆空心樓蓋剖面示意圖

方案1采用650mm厚現(xiàn)澆空心樓板自振頻率為7.7Hz，加速度為0.038g，滿足訓(xùn)練館要求不低于5.9Hz，加速度0.04～0.07g?；究梢詫崿F(xiàn)建筑的凈高要求，兼顧施工成本，綜合造價最低，性價比最好。

3 大跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制要點

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個關(guān)鍵指標(biāo)

地上及地下結(jié)構(gòu)的分析軟件采用SATWE，SAP200輔助驗算，預(yù)應(yīng)力采用軟件分析和手算復(fù)核進(jìn)行比較，梁剛度放大系數(shù)按照規(guī)范取值，水平構(gòu)件的彎矩調(diào)幅系數(shù)取值0.85，次梁與邊框梁計算按照鉸接計算分析，實配按最小配筋率控制，構(gòu)造設(shè)置交叉斜筋確保鉸接點的抗剪性能。樓梯采用滑動板式樓梯，釋放斜撐樓板對框架的影響?？紤]結(jié)構(gòu)跨度大，且三層的層高為10m，單跨20m的結(jié)構(gòu)，框架柱截面尺寸：800mm×1100mm，二層框架梁為600mm×1300mm，屋面邊梁600mm×1500mm，大跨預(yù)應(yīng)力梁為600mm×1150mm。房屋高寬比20/35.8=0.55＜6，第一周期、第二周期均為平動周期，分別是1.2s、1.10s，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期，周期為0.84s，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值為0.7，常遇地震最大層間位移角為1/804，最大位移比為1.16，無薄弱層，無軟弱層。模型反饋結(jié)構(gòu)前10階周期，都呈整體振動變形，無局部振動現(xiàn)象，周期、位移、側(cè)向剛度、樓層抗剪承載力、剛度比等重要指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求[3]。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計

項目位于清涼山西側(cè)山坡，屬于丘崗地貌，明城墻內(nèi)側(cè)，毗鄰明城墻，從初期的勘探情況看，巖石埋深淺，最薄處大約10m，最深處約為30m，巖層為7～2層，為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，夾不規(guī)律破碎帶。巖層變化的坡道較大，設(shè)計建議現(xiàn)場增加勘探孔，按照建筑單體的柱網(wǎng)，進(jìn)行逐點勘探。預(yù)制樁沒有成樁的可行性，考慮存在松散的強風(fēng)化層，易塌孔，樁基設(shè)計為直徑700mm和800mm兩種鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，獨立柱下承臺，分為單樁（承臺厚度800mm）、兩樁承臺（承臺厚度1200mm）、三樁承臺（承臺厚度1600mm），承臺之間地庫底板采用梁板式防水板受力模式。根據(jù)逐根框架柱下荷載，逐點設(shè)計樁基，設(shè)計結(jié)果基本每一根入巖深度及樁長均不一致，項目最長樁與最短樁長相差15m。后期加強沉降觀測，使用已超5年，實測沉降值與計算基本一致，無不均勻沉降現(xiàn)象。設(shè)計要求，施工過程中設(shè)計人員，原地質(zhì)勘探人員到場，會同監(jiān)理、建設(shè)單位，逐孔判巖，隨機抽取部分巖芯進(jìn)行試驗抽檢。

3.3 地庫頂板設(shè)計

重競技訓(xùn)練館部分區(qū)域有地庫，地庫功能為汽車車庫，東段無地下車庫，占比面積約為1/3，有地庫區(qū)域采用梁板式結(jié)構(gòu)，不影響地庫使用區(qū)域，設(shè)置少量剪力墻，既可以減少地庫的跨度，降低首層梁高，又可以滿足抗震規(guī)范規(guī)定的嵌固層下抗側(cè)剛度為首層抗側(cè)剛度2倍的要求。為保證嵌固層的有效性，無地下室區(qū)域承臺之間設(shè)置框架地梁，雙向拉通確保首層剛度。緊鄰地庫邊，開挖肥槽處，提高回填要求，首層局部增加結(jié)構(gòu)樓板，避免后期局部回填不密實帶來沉降差異，引起地坪開裂。

3.4 溫度應(yīng)力的控制

雖然按照建筑功能設(shè)置抗震縫，分為兩個平面較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，但是東側(cè)重競技訓(xùn)練館東西向長度仍有90m，共10跨，每跨9m，超過混凝土規(guī)范建議的現(xiàn)澆混凝土不宜超過40m，且空心板樓折算混凝土遠(yuǎn)超常規(guī)民用建筑，混凝土前期的水化熱、混凝土收縮徐變等非常突出。設(shè)計采用后張法無連接預(yù)應(yīng)力技術(shù)，張拉端選擇OVM錨，錨固端采用擠壓錨，筋選擇低松弛鋼絞線Uφs15.24f ptk=1860 N mm2，張拉控制應(yīng)力σcon=0.7f ptk=1302 N mm2，考慮摩擦損失、錨固損失、預(yù)應(yīng)力松弛損失、收縮徐變損失等合計預(yù)應(yīng)力損失為290N mm2，結(jié)合南京多年溫度變化情況，后澆帶合攏溫度按15℃計算，考慮最大升溫降溫±25℃，經(jīng)計算，長方向樓層溫度應(yīng)力按照1.3N mm2，長方向屋蓋溫度應(yīng)力按照1.8N mm2，短方向樓層溫度應(yīng)力按照0.7N mm2設(shè)計。設(shè)計預(yù)應(yīng)力選擇：2Uφs15.2@500?？紤]樓板跨度比較大18m×20m，預(yù)應(yīng)力溫度筋在板跨內(nèi)按照拋物線布置，為豎向承載提供一定安全儲備，并為結(jié)構(gòu)提供一定剛度補償。使用至今未見主體結(jié)構(gòu)梁、板出現(xiàn)明顯的裂縫，室內(nèi)地坪和粉刷基本未見明顯裂縫。

3.5 大跨混凝土梁設(shè)計

重競技訓(xùn)練館三層層高10m，為了滿足使用功能的要求，抽掉中間一排框架柱，形成事實單跨結(jié)構(gòu)，見圖5。從結(jié)構(gòu)整體而言，下部剛度大，上部剛度小，不屬于不利的結(jié)構(gòu)剛度形式，見剖面圖6。

圖5 屋蓋大跨預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)布置圖

圖6 屋蓋大跨剖面示意圖

屋面預(yù)應(yīng)力梁跨度20m，端部懸挑近5m，柱網(wǎng)尺寸9m，預(yù)應(yīng)力梁中心距離3m，梁截面尺寸為500mm×1150mm。為減少結(jié)構(gòu)重量，采取結(jié)構(gòu)找坡，坡度為3%，懸挑處預(yù)應(yīng)力順坡度方向，不作突變。影響雨水溝排水處，設(shè)置預(yù)留套管排水，并做相應(yīng)的加強。預(yù)應(yīng)力采用后張法，長度超過25m，采用兩端張拉，后張法有粘結(jié)方案，盡可能降低預(yù)應(yīng)力損失。張拉端施工完成后，用高標(biāo)號微膨脹混凝土進(jìn)行密封。

3.6 墻架設(shè)計

三層羽毛球館和籃球館層高近10m，扣除梁高，填充墻凈高度接近9m，建筑隔墻厚度200厚，填充墻高厚比9000/200=45，超過砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范限制，自身穩(wěn)定性存在問題。設(shè)計考慮籃球的撞擊荷載，設(shè)計專門墻架，墻架立面示意圖見圖7。構(gòu)造柱截面按300mm×250mm，半層高設(shè)置腰梁，腰梁截面尺寸300mm×600mm。按照荷載規(guī)范，風(fēng)荷載體系系數(shù)按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)取值，折算水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值接近2.0kN/m2，腰梁的腰筋按照該荷載進(jìn)行設(shè)計，控制水平荷載下?lián)隙取⒘芽p滿足規(guī)范要求。

圖7 墻架立面示意圖

3.7 入口造型柱設(shè)計

入口處紅色的造型柱，東西方向一排，中間標(biāo)高擱置玻璃雨棚板，頂部單方向有梁形成多跨結(jié)構(gòu)，南北方向沒有約束屬于純懸臂狀態(tài)。設(shè)計采取兩個方向予以考慮，其一南北方向按照懸臂構(gòu)件，進(jìn)行配筋設(shè)計，考慮水平荷載有兩項，水平風(fēng)荷載和水平地震荷載。其二頂部利用造型設(shè)置加強板帶，板帶邊緣設(shè)置邊梁。為減輕重量，造型柱設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)，既可以減輕重量，又可以設(shè)置雨水立管。中間空心部位400mm×600mm空腔，預(yù)埋2×3組直徑200PVC管，實現(xiàn)空心，減少模板制作困難。造型柱配筋截面形式見圖8。

圖8 造型柱配筋截面

4 結(jié)束語

體育館項目常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)較多，因為人流量大、荷載大、跨度大、空間通透性要求高、室內(nèi)凈高要求高，給結(jié)構(gòu)的選型帶來約束。密肋樓蓋、現(xiàn)澆空心樓板、現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力空心樓蓋，是體育館比較常用的樓蓋方案。本項目采用預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆空心樓蓋，取得不錯建筑效果和經(jīng)濟效果，項目使用至今已超過5年，各個方面反饋良好，故可供類似項目參考。