劉國銀， 隋慶海， 陽小泉

(中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司深圳分公司， 深圳 518040)

1 工程概況

西安奧體中心為2021年第14屆全國運動會的主場館，主要由主體育場、體育館和游泳跳水館組成。游泳跳水館是集游泳、跳水、花樣游泳、水球比賽、文化和休閑活動于一體的多功能體育場館。地下1層，地上4層，總建筑面積約10.2萬m2，其中地上面積約6.7萬m2，地下面積約3.5萬m2，看臺可容納觀眾4 046人，游泳跳水館建筑效果圖見圖1。

游泳跳水館整體平面尺寸為258.0m×217.0m，通過設(shè)置結(jié)構(gòu)防震縫將商業(yè)平臺與主體結(jié)構(gòu)脫開，地下室不設(shè)縫，主體結(jié)構(gòu)屋面投影尺寸為168.0m×120.0m，詳見圖2。建筑主要由比賽大廳、前廳、綜合訓(xùn)練廳、陸上訓(xùn)練廳及附屬設(shè)備用房組成，建筑剖面圖見圖3,4。

圖2 結(jié)構(gòu)防震縫設(shè)置圖/m

圖3 建筑橫向剖面圖/m

圖4 建筑縱向剖面圖/m

建筑屋面最高點高度30.150m，四周立面菱形裝飾柱(簡稱裝飾柱)柱頂高度32.830m，比賽大廳凈高約20.00m。主體框架結(jié)構(gòu)的主要柱網(wǎng)尺寸為8.40m×9.00m，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用倒三角立體管桁架結(jié)構(gòu)(由于造型原因邊榀為平面桁架)，沿跨度方向上呈中間高、兩邊低的折線形，桁架跨度主要為18,84,18m及27，93m，桁架桿件規(guī)格為φ89×4～φ600×32，桁架上截面寬度3.2m，桁架截面高度3.6，3.9m，桿件間采用相貫焊連接；訓(xùn)練池上層綜合訓(xùn)練廳的樓面跨度為42m，混凝土梁無法滿足空間凈高要求，因此設(shè)計采用單向布置的實腹工字鋼梁(見4.4節(jié))，立面菱形裝飾柱骨架采用圓鋼管格構(gòu)柱，通過水平拉桿與屋面結(jié)構(gòu)相連。主結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)均采用Q345B。觀眾席為預(yù)制清水混凝土看臺。游泳館內(nèi)比賽設(shè)施配置詳見表1。

游泳館內(nèi)比賽設(shè)施配置 表1

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

本工程設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s，標準設(shè)防類。考慮項目的重要性，尤其大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面以及裝飾柱主桁架鋼結(jié)構(gòu)對于風(fēng)荷載、雪荷載比較敏感，因此其重現(xiàn)期按100年取用。

西安地區(qū)百年一遇的基本雪壓為0.30kN/m2，準永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅱ類，屋面結(jié)構(gòu)計算分析時分別考慮全跨積雪均勻分布、不均勻分布和半跨積雪均勻分布工況，按最不利情況采用。當(dāng)?shù)貥藴蕛錾顬?.60m，需對淺埋的水平構(gòu)件設(shè)置防凍脹措施。

基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2(按100年重現(xiàn)期取值)，地面粗糙度類別為B類。本項目的風(fēng)洞試驗報告中，由于四周裝飾柱的遮擋影響，位于裝飾柱內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)等效風(fēng)荷載標準值略小于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)(簡稱荷載規(guī)范)，故風(fēng)荷載按荷載規(guī)范取值。對于四周的裝飾柱主桁架結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載則按荷載規(guī)范與風(fēng)洞試驗不同風(fēng)向角結(jié)果的包絡(luò)值進行設(shè)計。對于主體結(jié)構(gòu)的圍護玻璃幕墻以及裝飾柱的鋁板表皮，風(fēng)荷載也取風(fēng)洞試驗動態(tài)極值風(fēng)荷載與荷載規(guī)范的包絡(luò)值設(shè)計。

西安地區(qū)月平均最低氣溫為-7℃，月平均最高溫度37℃，按施工進度計劃，屋面鋼結(jié)構(gòu)的合攏溫度取為(20±2)℃，并考慮施工期間、使用期間的升溫和降溫工況組合。

在考慮溫度效應(yīng)的同時，超長混凝土結(jié)構(gòu)的硬化收縮也是不容忽視的問題。混凝土的收縮是一個長期的過程，其最終收縮量與材料構(gòu)成、構(gòu)件尺寸、環(huán)境溫度以及養(yǎng)護等多種因素有關(guān)。混凝土收縮在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，可把后澆帶封閉后的殘余收縮變形等效為結(jié)構(gòu)的整體降溫工況計算，但應(yīng)考慮混凝土徐變應(yīng)力松馳特性，實際溫度應(yīng)力將小于按彈性計算的結(jié)果，計算中徐變應(yīng)力松馳系數(shù)一般取0.35。

3 結(jié)構(gòu)體系

基礎(chǔ)采用當(dāng)?shù)赜谐墒旖?jīng)驗的φ600長螺旋鉆孔壓灌樁基礎(chǔ)，以中砂層為樁端持力層。

游泳跳水館主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)的嵌固端位于地下室頂板，抗震等級二級，其中支承大跨屋面框架柱、與綜合訓(xùn)練廳42m跨樓面鋼梁相接框架柱的抗震等級提高為一級。

屋面鋼結(jié)構(gòu)采用倒三角立體管桁架結(jié)構(gòu)，桁架鉸接于混凝土柱頂，其距離框架柱1/10桁架跨度范圍內(nèi)的弦桿、腹桿均為關(guān)鍵桿件，節(jié)點也按關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計。采用YJK軟件得到的主體結(jié)構(gòu)總裝模型圖見圖5。

立面菱形裝飾柱采用三角形管桁架結(jié)構(gòu)，通過水平系桿與屋面主結(jié)構(gòu)鉸接相連，其對主體結(jié)構(gòu)不提供剛度。

圖5 游泳跳水館主體結(jié)構(gòu)總裝模型圖

4 關(guān)鍵部位設(shè)計

本文對游泳跳水館上部主體結(jié)構(gòu)的整體計算分析不做介紹，主要針對游泳館這一類體育建筑的幾個關(guān)鍵部位的設(shè)計進行討論。

4.1 預(yù)制看臺板剛度

大型體育場館對于看臺的外觀質(zhì)量、尺寸偏差等要求較高，預(yù)制混凝土看臺即可以達到清水混凝土效果，施工速度又較快，從而得到大量應(yīng)用。預(yù)制看臺通過栓釘、膠墊連接于混凝土斜梁上，預(yù)制看臺板之間有2個φ22的連接件相連，其典型連接節(jié)點構(gòu)造見圖6，其他構(gòu)造見《預(yù)制清水混凝土看臺板》(13SG364—2013)[1]圖集。

圖6 預(yù)制看臺連接構(gòu)造圖

預(yù)制看臺板的剛度對整體計算有較大影響，預(yù)制看臺處形成長短柱框架，短柱剛度大，其分擔(dān)的地震剪力較正常樓層柱多，相比樓板開洞模擬預(yù)制看臺的計算方法，考慮預(yù)制看臺板剛度將會增大短柱的地震剪力，因此采用SAP2000軟件對局部看臺框架(圖7)進行分析，選用3種方案進行對比，如表2所示。

預(yù)制看臺板剛度對比方案 表2

圖7 預(yù)制看臺局部框架

對3種方案分別沿垂直看臺方向(工況1)和平行看臺方向(工況2)施加荷載，工況1和工況2的剪力分配計算結(jié)果如表3,4所示。

工況1剪力分配計算結(jié)果 表3

工況2剪力分配計算結(jié)果 表4

由表3可知，3種方案中看臺短柱及平臺段框架柱的剪力基本相同，預(yù)制看臺板剛度對垂直看臺方向影響不大。由表4可知，看臺短柱抗側(cè)剛度比平臺段框架柱大，因此看臺段水平位移較平臺段小。方案一與方案二的柱剪力分配較為接近，方案三由于不考慮預(yù)制看臺板的剛度，差別較大。因此如果忽略看臺板剛度，將導(dǎo)致看臺短柱在平行看臺方向地震作用下的剪力比實際情況小，結(jié)構(gòu)偏不安全。

為簡化計算，經(jīng)模擬分析，預(yù)制看臺板可采用殼單元斜板建模，僅考慮板面內(nèi)平行看臺方向8%的剪切剛度，垂直方向可不考慮。

4.2 YJK軟件中考慮預(yù)制看臺板剛度

YJK軟件無法對殼單元斜板進行剪切剛度調(diào)整。設(shè)想在看臺板等效為線荷載施加在框架梁上、樓板開洞模型中將框架柱地震剪力乘以一個調(diào)整系數(shù)來考慮看臺板剛度的影響，則非常便于設(shè)計，因此采用SAP2000軟件對本項目結(jié)構(gòu)整體模型進行2個方案(方案A和方案B)的分析對比，以獲得該調(diào)整系數(shù)的取值。方案A和方案B模型中，除表5中不同參數(shù)外，其他均相同。

方案A和方案B的模型參數(shù) 表5

由短柱剪力對比(表6)可知：在垂直看臺方向，考慮看臺板剛度(方案B)對短柱的剪力增幅均在5%以內(nèi)，影響較?。辉谄叫锌磁_方向，考慮看臺板剛度(方案B)使1排柱的剪力增大約23%，2排柱的剪力增大約7%。因此對于本項目，可在樓板開洞的YJK模型中將第1排短柱1的地震剪力及彎矩乘以1.25倍放大系數(shù)、將第2排短柱2的地震剪力及彎矩乘以1.1倍放大系數(shù)進行分析設(shè)計。

短柱剪力分配結(jié)果 表6

圖8 屋面結(jié)構(gòu)布置圖/m

4.3 屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

游泳館屋面采用單向傳力的立體桁架結(jié)構(gòu), 為了適應(yīng)建筑造型，端部兩榀采用平面桁架，邊榀平面桁架的下弦采用斜桿拉結(jié)于相鄰立體桁架的上弦節(jié)點，以保證其平面外的穩(wěn)定性，屋面的平面布置圖見圖8。

由于建筑使用功能的需要，部分右側(cè)屋架的支座位置發(fā)生變化，形成不同跨度的屋架(圖9)。本項目在支座位置未設(shè)置縱向桁架來保證立體桁架的平面外穩(wěn)定性，立體桁架與屋面檁條組成側(cè)向穩(wěn)定體系。檁條同時具有保證屋架穩(wěn)定性和承擔(dān)屋面板荷載的雙重作用，構(gòu)造簡單，節(jié)省工程造價，對無吊頂?shù)氖覂?nèi)空間有較好的美觀效果。20世紀90年代初，此做法應(yīng)用于深圳機場航站樓工程中[2]。

圖9 屋架主要剖面圖/m

檁條采用截面為250mm×200mm的矩形鋼管，通過檁托板與主桁架相連，其與主桁架組成類似門式剛架的結(jié)構(gòu)體系來保證主桁架的側(cè)向穩(wěn)定性，如圖10的屋架穩(wěn)定示意圖。在支座處以及屋脊處上弦節(jié)點設(shè)置通長系桿，以加強縱向穩(wěn)定性。

圖10 屋架穩(wěn)定示意圖

沿屋面周圍設(shè)置封閉的上弦水平支撐，保證屋面整體性。在縱向支座變化處，上弦水平支撐搭接一跨以達到封閉，對支座剛度較弱部位采取局部加密屋面水平支撐，以減小支座水平位移差異。屋面端跨平面桁架處，由于有平面桁架下弦拉結(jié)于相鄰立體桁架上弦節(jié)點的斜桿，為減少交于此處節(jié)點的桿件數(shù)量，將上弦水平支撐設(shè)置在第二跨，降低施工難度。

檢修馬道吊掛于桁架下弦節(jié)點附近，其荷載應(yīng)考慮比賽后期運營演出的要求，本項目馬道使用荷載為4.0kN/m2，需對桁架下弦桿件的局部受彎進行驗算。

大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與安裝工藝密切配合，不可脫節(jié)。本項目采用滑移施工方案，在中間支座處設(shè)置軌道,滑移時處于π字形狀態(tài)，就位后在自重作用下其端支座懸空于柱頂，如完全釋放會使跨中變形增加、馬道不平以及下弦應(yīng)力增大，必須采取反頂措施使其恢復(fù)原位，與設(shè)計模型相符。

4.4 訓(xùn)練池上空大跨樓板舒適度分析

游泳館建筑一般設(shè)有熱身訓(xùn)練池，其上空凈高要求不高，頂部空間常作為綜合訓(xùn)練廳功能房間，使用荷載較大，這就會形成一個跨度較大的樓板。本項目此部位的樓板跨度為42m，如采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板結(jié)構(gòu)，其梁高可達約3～4m，對建筑層高影響較大，不能滿足建筑要求，故采用單向布置的鋼梁組合樓板(圖11)。

圖11 大跨樓板布置圖/m

圖12 各測區(qū)的測點布置圖/m

鋼梁采用焊接工字形鋼，鋼梁截面為H1 700×650×30×100，端部1/3跨截面減小為H1 700×650×30×60，材質(zhì)Q345B，鋼筋桁架樓承板厚度為150mm。經(jīng)計算分析，樓板的強度及變形均可滿足《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)[3]的相關(guān)要求，但樓板整體振動頻率較低，其第一階振動頻率為2.97Hz，略小于《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)[3]限值，且與人致激勵的敏感頻率(1.5～4.0Hz)相近，因此可能產(chǎn)生比較嚴重的人致振動問題，需要采取措施進行振動控制，樓板設(shè)計時已預(yù)留了減振裝置荷載。為更真實地獲取樓板的動力特性，對樓板進行了現(xiàn)場振動測試，為后續(xù)設(shè)計TMD(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)提供依據(jù)。

各測區(qū)樓板的測試主頻率和阻尼比如表8所示。豎向振動主頻率分布在3.6～4.4Hz。采用CAE有限元軟件對測區(qū)樓板進行仿真模擬，各測區(qū)實測與CAE有限元模擬分析結(jié)果如表9所示。有限元分析結(jié)果與實測結(jié)果基本接近，均滿足不小于3Hz的規(guī)范要求。

每個測區(qū)的激勵工況 表7

主頻率和阻尼比實測結(jié)果 表8

實測與CAE有限元分析的頻率對比 表9

鑒于測區(qū)所測得固有頻率的準確程度，按偏于不利的、以接近理論分析的3.0Hz作為持續(xù)跳動的人致激振頻率，進行樓板振動加速度測試，測試持續(xù)時間為10s。為分析對比，調(diào)整有限元模型邊界約束條件，使模擬分析頻率與實測頻率一致，模擬與實測的激勵荷載工況相同，分析統(tǒng)計各測區(qū)在持續(xù)跳動工況下樓板的實測加速度幅值、1sRMS(max)和 10sRMS(max)的CAE有限元模擬結(jié)果見表10。加速度幅值為各測區(qū)的加速度最大值；1sRMS(max)，10sRMS(max)分別為時程曲線上以1s和10s為時間間距的加速度均方根(RMS)的最大值。

參照ISO規(guī)范(ISO-10137)標準[7]的評價內(nèi)容為：1)對于有靜止的人員過道，建議以1sRMS(max)值為評價標準，對比表10中的實測值與規(guī)范限定值，可以看出除測區(qū)4稍微超出限定值外，其他都在限定值范圍內(nèi)；2)對于看臺和會堂類別的樓板，采用10sRMS(max)作為評價指標，可以看出各測區(qū)實測值均在規(guī)范限定值范圍內(nèi)。本工程樓板使用功能為綜合訓(xùn)練廳，可參照第2條進行評價。

實測與CAE有限元分析的加速度結(jié)果/(m/s2) 表10

由表9的結(jié)果可知，雖然樓板主要振動頻率滿足要求，但加速度幅值遠超《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)限值，主要原因為：1) 人群密度達到0.6～1.0人/m2時，應(yīng)以行走激勵為主；當(dāng)人群都以較高頻率自由跳躍不受干擾時，人群密度的上限界定為0.3人/m2 [8]，按實際活動區(qū)域面積計算的同步人數(shù)約為測試人數(shù)的1/3，即7～8人。2)一般情況下同步人群應(yīng)均勻分布在樓板上，本次測試的人群荷載集中在跨中兩個區(qū)域內(nèi)，屬于最不利情況，實測結(jié)果和CAE有限元模擬分析結(jié)果都會偏大?？紤]上述兩個原因，將加速度幅值乘以0.35折減系數(shù)進行對比，折減后的幅值基本滿足要求。綜合考慮實測與CAE有限元模擬分析結(jié)果，以及參考ISO規(guī)范(ISO-10137)標準[7]，本項目不考慮采用TMD進行減振控制。

4.5 比賽池及跳塔設(shè)計

4.5.1 比賽池

根據(jù)《國際泳聯(lián)設(shè)施規(guī)則2017-2021》規(guī)定，比賽池在水面上部0.3m到水面下部0.8m高度范圍內(nèi)，每個泳道兩端池壁之間的距離允差為0～30mm,泳池的尺寸應(yīng)由國際游泳聯(lián)合會指定或批準的測量人員進行確認,安裝完觸摸板后也不能超出此允差范圍，這對于混凝土結(jié)構(gòu)是非常高的精度要求。

為了減少主體結(jié)構(gòu)的溫度變化及混凝土收縮對泳池尺寸的影響，以及阻隔地下水可能對泳池水質(zhì)滲透污染的路徑，本項目比賽池采用與主體結(jié)構(gòu)完全脫開的做法，即比賽池作為一個獨立的水池放置在結(jié)構(gòu)底板上，如圖13所示。比賽池側(cè)壁為承受水壓力的懸臂板，其底板相當(dāng)于放置在彈性地基上的平板[9]。

圖13 比賽池剖面圖

跳水池和訓(xùn)練池的底板兼做地下室底板，側(cè)壁與主體結(jié)構(gòu)連接為整體，戲水池底板由于其下部房間功能要求也采用了與比賽池相同的設(shè)計。

4.5.2 跳塔

《國際泳聯(lián)設(shè)施規(guī)則2017-2021》對跳臺跳板的支撐結(jié)構(gòu)規(guī)定如下：1)支撐結(jié)構(gòu)板面活荷載為3.5kN/m2；2)跳臺的豎向自振頻率≥10Hz；3)跳塔水平向自振頻率≥3.5Hz；4)在跳臺前沿X，Y，Z三個方向上分別施加1.0kN的作用力，變形均≤1.0mm(圖14)。

圖14 三向作用示意圖

跳塔及跳板振動過大將影響運動員的心理反應(yīng)，控制振動頻率十分重要。本項目跳塔為流線造型(圖15),要求清水混凝土效果，無裝飾面層，這給設(shè)計和施工帶來挑戰(zhàn)。

圖15 跳塔竣工實景圖

采用SAP2000軟件進行有限元分析計算，柱、板、樓梯均采用殼單元模擬，不考慮風(fēng)荷載，地震作用反應(yīng)譜與主體結(jié)構(gòu)相同，計算結(jié)果均滿足要求。分析得知，豎向承重柱截面尺寸以及其與樓梯板的協(xié)同工作是控制豎向振動頻率的主要因素。本項目跳臺由專業(yè)公司進行模板加工制作以及現(xiàn)場定位施工。

5 結(jié)論

(1)預(yù)制看臺板對垂直看臺長度方向的剛度貢獻不大，但忽略平行長度方向的剛度將使結(jié)構(gòu)不安全。就本項目經(jīng)驗來說，將預(yù)制看臺板采用殼單元斜板建模，僅考慮板面內(nèi)平行看臺長度方向8%的剪切剛度，其他方向剛度可不考慮。

(2)由于預(yù)制看臺板剛度的影響，當(dāng)采用樓板開洞建模的方法分析時，看臺短柱效應(yīng)應(yīng)適當(dāng)乘以放大系數(shù)。

(3)立體桁架與檁條可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，不需設(shè)置縱向穩(wěn)定桁架。

(4)大跨樓蓋結(jié)構(gòu)的舒適度應(yīng)將理論計算與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合，應(yīng)綜合分析是否滿足規(guī)范要求。

(5)大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與施工安裝工藝密切配合，與設(shè)計模型保持一致。