車順利， 張 耀， 賈俊明， 吳 琨， 曾凡生

(中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710018)

1 工程概況

開封體育中心是開封市重大民生工程，其建筑外形采用圓形平面，上大下小的弧線造型勾勒出了宋瓷“碗”形，體育場罩棚骨架及建筑表皮勾勒出了菊花花瓣意向。該設(shè)計(jì)有機(jī)地將菊花與宋瓷這些關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素融入體育場建筑形態(tài)中，從而形成一個具有開封獨(dú)特標(biāo)志性的“菊花瓷”體育場館。

開封體育中心項(xiàng)目包括體育場和綜合體育館兩個建筑單體，建筑效果圖見圖1。項(xiàng)目位于開封市龍亭區(qū)東京大道與十二大街交叉口東北角，場地所處地貌單元屬黃河沖積平原，場地土類型為中軟場地土，屬穩(wěn)定場地，地段類別為一般地段。

圖1 建筑效果圖

開封體育中心體育場總建筑面積約4.3萬m2，體育場主體主要由看臺空間和鋼結(jié)構(gòu)罩棚兩部分構(gòu)成，建筑構(gòu)成示意見圖2。本工程不設(shè)地下室，東西向看臺共5層，標(biāo)高約24.2m；南北向看臺共1層，標(biāo)高約5.4m；鋼結(jié)構(gòu)罩棚頂標(biāo)高約38.5m?？磁_觀眾座位約3萬座，看臺平面外圓內(nèi)橢，外沿圓周半徑為117.2m，外柱網(wǎng)將圓周80等分?？磁_內(nèi)圈環(huán)繞比賽場地呈橢圓形布置，看臺內(nèi)側(cè)長軸99m，短軸73m。

圖2 建筑構(gòu)成示意

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)條件，開封體育中心體育場設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)見表1。按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1](簡稱荷載規(guī)范)，考慮體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載比較敏感，故風(fēng)荷載按重現(xiàn)期R=100年考慮，基本風(fēng)壓為0.50 kN/m2。場地粗糙度B類，風(fēng)壓高度變化系數(shù)最大值μz取1.52(最高處離地面38.5m)；罩棚端部風(fēng)振系數(shù)βz取2.0，罩棚根部及墻面風(fēng)振系數(shù)βz取1.5，體型系數(shù)取1.3。雪荷載按重現(xiàn)期R=100年考慮，基本雪壓為0.35kN/m2。

結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù) 表1

根據(jù)開封氣象局近30年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和荷載規(guī)范，對基本氣溫給予修正，本工程考慮±26℃溫度作用。本項(xiàng)目基礎(chǔ)采用樁基+承臺基礎(chǔ)形式，依據(jù)地勘報(bào)告以第⑤層細(xì)砂作為樁端持力層。本工程樁基采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC 500 AB100型，樁長20m，單樁豎向承載力特征值為1 200kN。依據(jù)甲方任務(wù)書及建筑觀眾席容量等指標(biāo)，該體育場規(guī)模分級指標(biāo)略大于小型等級指標(biāo)，屬于中型體育場，依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/J 50223—2008)[2]第6.0.3條，該體育場抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，但該工程不屬于大型的公共建筑。結(jié)合設(shè)計(jì)使用年限、結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果以及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，本工程安全等級取為二級。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

依據(jù)視線平面分級、分區(qū)要求，看臺東西高、南北低，首層平臺標(biāo)高5.4m，看臺最高點(diǎn)至室外地面約24.2m。體育場看臺外覆蓋了圓環(huán)形結(jié)構(gòu)罩棚，罩棚輪廓為半徑109.5m(下部)～134.5m(上部)的圓“碗”造型，上大下小，建筑形象猶如大平臺上放置的優(yōu)美菊花紋飾巨碗。罩棚頂面最外沿半徑為134.5m，中心圓形開口半徑為79.5m?？磁_罩棚頂面至室外地面約38.5m，由看臺外圈柱隔柱支托，共40個支點(diǎn)。

體育場看臺采用外圓內(nèi)橢的平面布置，利用橢圓圓心放射線形成內(nèi)柱網(wǎng)與外柱網(wǎng)相連，這既能保證比賽場地集約性，也能便于保證體育場外立面均勻、等距、規(guī)則的形態(tài)，從而形成規(guī)則有序的立面元素，有效地控制建筑形體的規(guī)則性。體育場罩棚菊花瓣通過標(biāo)準(zhǔn)單元沿360°的圓形路徑復(fù)制出80個完全相同的標(biāo)準(zhǔn)組件。建筑首層平面圖見圖3，建筑剖面圖見圖4，支座示意圖見圖5。

圖3 建筑首層平面布置示意

圖4 建筑剖面示意

圖5 支座示意圖

通過分析相關(guān)體育場館工程[3-8]，大多體育場館工程采用落地桁架，罩棚結(jié)構(gòu)僅僅覆蓋看臺區(qū)。而本工程依據(jù)建筑特點(diǎn)，屋蓋罩棚除覆蓋看臺區(qū)，還要作為建筑外形骨架，同時柱頂支托兩側(cè)罩棚懸挑均較大，且桁架根部支點(diǎn)不落地。因此，本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下：1)鋼結(jié)構(gòu)罩棚覆蓋面大，體型獨(dú)特；2)看臺為階梯型，沒有明顯的結(jié)構(gòu)層，豎向剛度不均勻；3)鋼結(jié)構(gòu)罩棚頂部支撐點(diǎn)采用隔柱支托，且南北看臺處柱高較大，罩棚根部支點(diǎn)不落地，支托于外圍看臺框架柱柱側(cè)；4)看臺及流線布置導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)高復(fù)雜；5)需保證上部屋蓋和下部看臺主體結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。

通過前期定案分析，本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先對鋼結(jié)構(gòu)罩棚進(jìn)行了單榀、整體模型的細(xì)化分析，罩棚結(jié)構(gòu)模型見圖6。采用YJK和MIDAS Gen兩種不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，解決上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)中的1，2，4，5相關(guān)問題，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖7。通過看臺外沿圓周局部柱采用型鋼混凝土柱解決上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)中2，3相關(guān)問題；通過精細(xì)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，解決上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)中3，5相關(guān)問題。

圖6 罩棚結(jié)構(gòu)模型

圖7 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

通過結(jié)構(gòu)分析，體育場主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+空間管桁架結(jié)構(gòu)?？磁_結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部框架柱采用型鋼混凝土柱，屋蓋罩棚采用空間管桁架結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土框架外沿框架柱間隔上升支托鋼結(jié)構(gòu)罩棚。罩棚徑向?yàn)橹麒旒?，采用倒三角鋼管桁? 支座內(nèi)外側(cè)懸挑長度分別為30，25m, 每榀約間隔10.8m, 共80榀，其中40榀(奇數(shù)軸)由型鋼混凝土柱頂?shù)墓潭ㄇ蛑ёB接，另外40榀(偶數(shù)軸)由支座處環(huán)向桁架支托，結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置示意見圖8。

圖8 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置示意

罩棚徑向桁架高度由底部4m收至懸挑端1.3m；罩棚平面環(huán)向設(shè)置環(huán)向桁架和環(huán)向系桿，環(huán)向桁架為平面鋼管桁架, 屋面采用陽光板?？紤]罩棚桁架網(wǎng)格分布，間隔一定間距設(shè)置環(huán)向桁架和系桿，結(jié)構(gòu)平面整體均勻布置?？紤]局部燈具或相關(guān)設(shè)備吊載，適當(dāng)調(diào)整局部構(gòu)件截面，但結(jié)構(gòu)整體布置均勻?qū)ΨQ。設(shè)計(jì)中分別采用YJK和MIDAS Gen 兩種軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體內(nèi)力、位移計(jì)算。應(yīng)用反應(yīng)譜分析方法進(jìn)行整體計(jì)算時，采用剛性樓板假定；構(gòu)件設(shè)計(jì)時采用非強(qiáng)制剛性樓板假定。結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果見表2，結(jié)構(gòu)前3階振型見圖9。從表2和圖9可知，結(jié)構(gòu)第1階振型和第2階振型為平動，第3階振型為扭轉(zhuǎn)，周期比約為0.69，小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[9]中周期比限值0.9。X,Y向結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)構(gòu)周期計(jì)算結(jié)果 表2

圖9 結(jié)構(gòu)前3階振型

分別采用YJK和MIDAS Gen 兩種計(jì)算軟件，對本工程在地震以及風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果見表3。從表3中可知，兩種計(jì)算軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)動力特性結(jié)果基本接近，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[9-10]要求。

反應(yīng)譜法地震、風(fēng)荷載響應(yīng)計(jì)算結(jié)果 表3

下部看臺結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北向、東西向長度約235m，下部結(jié)構(gòu)未分縫，屬于超長混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合施工因素并考慮混凝土的收縮徐變效應(yīng)，設(shè)計(jì)中采用設(shè)置施工后澆帶，樓板采用現(xiàn)澆混凝土樓板，樓板厚度不小于200mm，雙層雙向配筋，每層各方向鋼筋的配筋率不小于0.30%。明確施工需采用跳倉法施工，同時對樓板進(jìn)行有限元應(yīng)力補(bǔ)充分析，見圖10。從圖中可得，受溫度影響，樓板應(yīng)力分布不均勻。在施工圖設(shè)計(jì)時結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng)處理等措施，如：設(shè)置后澆帶、選擇合適水泥、嚴(yán)格控制坍落度、控制水泥用量、控制商品混凝土的水灰比、控制澆灌時間、提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量等措施，減小混凝土收縮及溫度應(yīng)力的不利影響。

圖10 樓板板頂升溫應(yīng)力/(N/mm2)

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

結(jié)合本工程建筑特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)罩棚徑向采用空間管桁架，環(huán)向設(shè)置支托桁架和環(huán)向系桿，管桁架連接節(jié)點(diǎn)采用相貫連接，工廠或現(xiàn)場進(jìn)行相關(guān)工藝評定，保證焊接質(zhì)量。主桁架與看臺型鋼混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)采用抗震球鉸支座以弱化溫度應(yīng)力的影響，通過設(shè)計(jì)方案對比，對于主桁架支座節(jié)點(diǎn)，若采用焊接節(jié)點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)加勁板較多，部分加勁板焊接困難，無法保證焊接質(zhì)量。因此，主桁架支座節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，見圖11。

圖11 主桁架支座鑄鋼節(jié)點(diǎn)

采用ABAQUS軟件進(jìn)行主桁架支座鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析，相關(guān)分析工況同MIDAS Gen計(jì)算模型相關(guān)工況，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，控制工況取工況1.0恒載+0.98活載+0.84風(fēng)荷載+1.4溫度作用，分析了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的承載力和變形性能，見圖12。

圖12 主桁架支座鑄鋼節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果

從圖12可得，鑄鋼節(jié)點(diǎn)最不利應(yīng)力約為140MPa，應(yīng)力比約為0.61；鑄鋼節(jié)點(diǎn)最不利應(yīng)力位置和變形主要發(fā)生在桿件外沿，節(jié)點(diǎn)變形很小。因此，本工程鑄鋼節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力和變形不大，鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力符合受力要求，并具有一定的安全儲備。

對于環(huán)向桁架與徑向桁架支托處節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)相交桿件眾多，為保證節(jié)點(diǎn)外型美觀且便于節(jié)點(diǎn)連接，設(shè)計(jì)中也對桁架支拖節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了方案選擇與分析，比較了焊接節(jié)點(diǎn)、鑄鋼節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)變斷面、節(jié)點(diǎn)加肋幾種不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，見圖13。綜合考慮建筑效果、節(jié)點(diǎn)可靠性和安全性、節(jié)點(diǎn)的可實(shí)施性以及施工的便利性等因素，最終選擇了圖13(b)所示的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式。后文分析的桁架支拖節(jié)點(diǎn)模型見圖14，桁架支拖節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力與變形分析結(jié)果見圖15。

圖13 桁架支拖節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式

圖14 桁架支拖節(jié)點(diǎn)模型

從圖15可得，桁架支拖節(jié)點(diǎn)最不利應(yīng)力約為135MPa，應(yīng)力比約為0.59；最不利應(yīng)力位置和節(jié)點(diǎn)變形主要發(fā)生在桿件外沿，節(jié)點(diǎn)變形很小。因此，本工程桁架支拖節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力和變形不大，桁架支拖節(jié)點(diǎn)承載力符合受力要求，并具有一定的安全儲備。

圖15 桁架支拖節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果

通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析可知，罩棚結(jié)構(gòu)相關(guān)荷載主要傳導(dǎo)至圖5(a)或圖11節(jié)點(diǎn)，而圖5(b)節(jié)點(diǎn)會對框架柱產(chǎn)生一定的水平作用，考慮到該部位框架柱作為重要的豎向承重構(gòu)件及抗側(cè)力構(gòu)件，其承載力必須得到保障。因此，本工程在該部位框架柱均采用了型鋼混凝土柱，以提高構(gòu)件承載力及延性。通過型鋼混凝土柱承載力驗(yàn)算，控制該框架柱滿足承載力小震彈性、中震不屈服的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1)對于該類型體育場建筑，結(jié)構(gòu)主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+空間管桁架結(jié)構(gòu)易于滿足建筑體型和功能布置要求。

(2)該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及分析，在保證建筑造型的基礎(chǔ)上，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)考慮可靠性、安全性以及節(jié)點(diǎn)的可實(shí)施性、施工便利性等因素。

(3)對于支托條件有限的柱網(wǎng)布置，支托鋼結(jié)構(gòu)罩棚的框架柱建議采用型鋼混凝土柱，在便于支座連接的同時，易保證節(jié)點(diǎn)和框架柱的相關(guān)性能。

(4)對于帶有大屋蓋或懸挑罩棚的體育場館設(shè)計(jì)，應(yīng)采取“先局部、后整體”的設(shè)計(jì)原則。

(5)在空間管桁架結(jié)構(gòu)中，針對桁架桿件相交較多節(jié)點(diǎn)處，建議采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，易于保證建筑效果和節(jié)點(diǎn)的可靠性。

致謝：中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司總工楊琦對本工程的設(shè)計(jì)提出了許多寶貴的意見及建議，周鵬洋、蔡建良等浙江大東吳集團(tuán)建設(shè)有限公司深化團(tuán)隊(duì)給予了本項(xiàng)目大力支持，在此一并表示感謝！