劉雪兵，區(qū) 彤

（廣東省建筑設計研究院有限公司 廣州 510370）

1 工程概況

位于佛山市順德區(qū)某體育中心項目用地狹長，建筑呈長方形布局；其中綜合體育場（20 000 座）體量較大，按場地正南北向要求布置于地塊東側；其余綜合體育館（12 000座）、訓練館（2 000座）、游泳館（2 000座及附屬設施）等單體沿用地長邊由東向西、從高到低依次展開布置。

各個體育場館通過自地面而起的綠化屋頂整合成有機統(tǒng)一的整體性地景建筑（見圖1）。在北側布置了商業(yè)配套功能，滿足日常運營需要。體育中心總建筑面積234 458 m2，項目定位為集體育競技、健身休閑、商業(yè)娛樂、文藝演出為一體的多功能、綜合性、生態(tài)型的大型體育中心。

圖1 某體育中心效果Fig.1 Renderings of a Sports Center

2 結構設計相關參數(shù)

本工程抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，地震特征周期值為0.45 s，下部混凝土結構阻尼比ζ=0.05，鋼結構部分結構阻尼比ζ=0.02［1］，整體計算時采用組阻尼定義不同材料阻尼比計算分析。

體育場、體育館的抗震設防類別分為重點設防類，其余建筑物的抗震設防類別為標準設防類。

本工程風荷載按基本風壓ωo=0.60 kN/m2（100 年ωo=0.70 kN/m2）取值。本工程4 個場館屋面大跨度和自重比較輕的鋼結構，屬于對風荷載比較敏感建筑，屋面鋼結構承載力設計時按100年基本風壓取值。

根據(jù)項目所在地的氣溫情況，鋼結構施工合攏溫度擬定為25±4 ℃，施工階段考慮-25 ℃和+55 ℃的施工溫差荷載。游泳館和綜合體育場考慮±35 ℃溫度作用，其余鋼結構考慮±30 ℃溫度作用。

3 地質(zhì)條件和地基基礎

3.1 地質(zhì)條件

項目場地大部分為魚塘，上部土體均為軟弱土，軟土平均厚度為20.65 m，下部為泥質(zhì)粉砂巖。場地內(nèi)無活動斷裂帶通過，場地基底穩(wěn)定。工程建設適宜性較差，需要通過地基處理或采用樁基礎后，方可進行本工程的建設。

3.2 地基基礎設計

3.2.1 地下室設計

本工程在體育館、游泳館及商業(yè)底部設置一層地下室，建筑功能為人防地下室，地下室平面尺寸為542.6 m×183.6 m，為超長地下結構。

根據(jù)建筑功能和設備走線要求，在地下室頂板短度方向上布置3 條設備管溝，管溝面標高-2.30 m，如圖2所示。地下室采用框架結構，底板采用隔水板設計，板厚500 mm；頂板采用梁板結構。

圖2 地下室頂板示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Basement Roof（mm）

3.2.2 針對超長地下室采取的措施

超長地下室，解決溫度應力是設計重點之一。針對這個問題主要采取以下3個方面的措施：

⑴利用現(xiàn)有的設備管溝，設置通長凹槽［2］，將地下室頂板分隔成長度不大于120 m 的板塊，減小連續(xù)梁板的長度；同時在地下室側壁上對應管溝部位設置溫度誘導溝，以部分釋放溫度作用。

⑵地下室部分在結構設計中考慮溫度應力的影響，進行定量計算的同時提高長方向的混凝土樓板和結構梁的配筋率，提高混凝土抗收縮能力。

⑶混凝土樓面設置間距30～50 m 的后澆帶，后澆帶采用微膨脹混凝土，減少施工階段的溫度收縮應力。利用膨脹混凝土的補償收縮性能，控制結構混凝土由干縮、冷縮、化學減縮、塑性收縮等原因引起的開裂現(xiàn)象，控制混凝土水化硬化期間由于水泥水化過程釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度應力和混凝土干縮應力［3］。

3.2.3 地基基礎形式

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地淤泥分布廣泛，層厚較厚。針對本場地地質(zhì)特點，旋挖灌注樁對地層適宜性強，單樁承載力較高，但施工期長。PHC 管樁在經(jīng)濟性、施工速度、施工便捷、質(zhì)量易于保證等方面具有優(yōu)越性，但單樁承載力比灌注樁低一些。

綜合以上兩種樁型優(yōu)勢，對于純地下室部分，柱軸力較小，采用D500×100 高強預應力管樁（PHC-AB樁），樁端持力層為〈4-2〉強風化或者〈4-3〉中風化泥質(zhì)粉砂巖。對各場館下部柱，柱軸力較大，采用旋挖灌注樁，樁徑為D1 000～D1 800，樁端持力層為〈4-3〉中風化泥質(zhì)粉砂巖。

本工程體育館、訓練館場地中央以及結構輪廊以外地下室的結構自重（包括頂板面覆土、樁身自重）未能完全平衡地下水作用于底板的水浮力，為滿足建筑物整體抗浮要求及控制底板結構配筋的經(jīng)濟性，不平衡部分的利用承壓樁兼抗拔使用，以滿足抗浮要求。

4 結構整體設計方案

本工程場地大部分為魚塘，覆蓋土層由上至下依次為：素填土、流塑～軟塑淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉砂、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖等。素土層平均厚度約2 m，為新近填土，淤泥質(zhì)土層厚1.20～34.00 m，平均厚度為9.07 m。場地土軟弱，大型施工機械，特別是鋼結構吊裝需要使用的大型吊機，難以在現(xiàn)有場地上行走。

場地東側為城際鐵路，南側、西側為河涌，北側為市政道路，施工場地限值因素較多（見圖3）。根據(jù)場地狹長、地層淤泥深厚，大型施工機械較難適應本工程的特點，綜合考慮建筑效果，做到技術先進、安全適用、方便建造，優(yōu)先選用索承結構體系，以盡量避免適用大型機械進行施工作業(yè)。經(jīng)綜合分析和比較，體育館采用索穹頂結構體系、訓練館采用輪輻式索桁架結構、游泳館采用單層索網(wǎng)結構體系。體育場因建筑造型受到場地影響，南北兩側建筑體系過于單薄，無法做成相對規(guī)則的受力形態(tài)，因此體育場采用巨型桁架+V支撐+張弦梁網(wǎng)格結構體系。

圖3 項目用地示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Project Land

5 各體結構設計方案

5.1 體育場結構體系

體育場無地下室，由地上4層（局部5層）看臺+屋蓋鋼結構組成。

屋面鋼結構平面為近似橢圓，南北側長度約為236.5 m，東西兩側長度約為228.5 m。最窄處為南北端的鋼結構屋蓋，寬度約23 m。屋面鋼結構標高51.29 m，投影面積23 400 m2。

體育場主要采用框架柱來提供結構的抗側及抗扭剛度［4］。二層及以下環(huán)向柱跨為8 m，徑向主跨由里往外增大，最大約10 m；二層以上最外圈混凝土柱因建筑要求，采用隔一抽一的方式布置。柱混凝土強度C50～C35，典型框架柱截面D800，800 mm×800 mm，1 500 mm×1 200 mm。

體育場由于場地紅線限制原因周邊支撐體系不完整，形狀不規(guī)則，因此結合建筑造型采用內(nèi)圈巨型桁架+巨型格構柱支撐結構，保證結構受力，避免單臂懸挑結構。屋面鋼結構傳力路徑為屋面檁條?張弦網(wǎng)格（南北連廊）?內(nèi)（外）環(huán)桁架?格構柱、柱腳萬向支座→看臺結構混凝土柱?灌注樁基礎。支座間環(huán)向框架梁最大跨度為18 m，采用預應力混凝土梁，主要截面為500 mm×800 mm，500 mm×1 000 mm，700 mm×1 500 mm。

格構柱東西兩側間距為137.38 m，南北兩側間距分別為104.9 m 和70.0 m，平面尺寸約為5.5 m×6.5 m，截面采用φ900×40（Q420GJB）。鋼格構柱在二層（5.5 m）平臺后采用埋入式柱腳剛接節(jié)點設計。通過16 個萬向鉸支座與混凝土看臺連接。

內(nèi)環(huán)巨型倒三角桁架，桁架高度為7～10 m，寬度為6 m；通過分布在南北兩側的8 根巨型鋼格構柱支撐，為屋蓋鋼結構提供充分的抗側剛度（見圖4）。

圖4 體育場整體模型軸側圖Fig.4 Axial Side View of Overall Model of Stadium

結合建筑造型，在東西看臺頂部屋蓋外側布置結構桿件，屋面桿件、外挑造型桿件與支撐屋蓋柱采用桿件相互連接，形成穩(wěn)定的外環(huán)桁架。

內(nèi)外圈桁架之間采用張弦網(wǎng)格體系進行連接，網(wǎng)格跨度為28～38 m，撐桿高度為3～4 m（見圖5）。網(wǎng)格梁采用箱型1 000×400×16×20 或箱800×400×16×20 交叉布置；網(wǎng)格下部布置φ85 高釩拉索（預拉力1 000～1 200 kN），形成張弦網(wǎng)格結構體系，為大跨度網(wǎng)格提供足夠的豎向剛度。

圖5 綜合體育場西看臺結構單元示意圖（東看臺對稱）Fig.5 Structural Unit Diagram of the West Stand of the Comprehensive Stadium（Symmetrical in the East Stand）

5.2 體育館結構體系

體育館主館±0.000 以上結構與綠化屋面通過抗震縫分開形成獨立的結構單元，體育館內(nèi)部看臺與外圍V撐完全分開，形成房中房。

體育館內(nèi)部看臺結構不設置抗震縫。體育館下部采用混凝土框架結構，橢圓形，平面尺寸為119 m×138 m?；炷敛糠纸Y構布置主要采用單向次梁、局部十字梁布置。

支撐屋面鋼結構斜柱截面尺寸1 200 mm×2 200 mm，普通圓柱柱截面為D800。首層及二層柱混凝土強度等級C40，其他層柱強度等級C35，梁板強度等級C30。主要跨度6～8 m。

體育館屋面鋼結構采用橢圓拋物面索穹頂結構，其中支座間長軸方向的結構凈跨124 m，短軸方向的結構凈跨105 m，屋面鋼結構投影面積10 512 m2。

結構矢高8.1 m，長向矢跨比1/15，短軸矢跨比1/13。

屋面結構從內(nèi)往外布置3 圈環(huán)索（見圖6）。索穹頂?shù)牟妓鞣绞降谝弧⒌诙Σ捎?6 等分Geiger 型［5］，第三圈采用Levy 方式分叉為32 等分的形式（見圖7），既避免脊索等分太密造成建筑不美觀，又避免外圈檁條的跨度過大，同時從受力形式上提高索穹頂?shù)膫认騽偠惹冶苊鈾E圓形長短軸環(huán)梁造成的索力不均。

圖7 綜合體育館結構剖面示意圖Fig.7 Structural Section of Comprehensive Gymnasium

屋面鋼結構采用內(nèi)外兩道環(huán)梁布置，內(nèi)圈環(huán)梁（箱型1 800×1 500×45×45）提供拉索絕大部分剛度，外圈環(huán)梁（箱型600×800×30×30）為屋面構件封閉環(huán)梁，兩道環(huán)梁通過鋼箱梁（箱型600×250×20×20）V 形布置連成一個環(huán)形平面桁架，加強了環(huán)梁的平面剛度。

抗側力構件分為外圈V 柱和內(nèi)圈8 個大V 柱，形成兩道抗側力體系；外圈環(huán)梁、首層混凝土結構與中部外圈V 撐形成一個閉合受力體系（見圖7），有效地控制了整體扭轉(zhuǎn)［6］；結構特征值分析結果表明，前30階振型未出現(xiàn)因周圈剛度不足產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)，均為環(huán)梁以內(nèi)的索穹頂屋蓋的豎向振型密集，符合大跨度索穹頂?shù)恼駝犹攸c。

結構整體在D+L+側向風作用下最大水平位移為53 mm，最大位移出柱高14.44 m，相對位移比為1/276，外幕墻處相對位移比1/413，滿足《鋼結構設計標準：GB 50017—2017》水平側移要求。內(nèi)圈V柱φ（1 000～800）×35，外圈V柱φ（750～550）×30。索穹頂主受力索脊索采用D110～130 高釩索，環(huán)索采用φ85～120 高強密封索，斜索采用φ80～30高釩索。

5.3 訓練館結構體系

訓練館屋蓋投影尺寸約為89.7 m×75.0 m，混凝土看臺頂點高度為10.8 m，屋面最高點高度為25 m。

地上兩層混凝土看臺，結構形式為兩層框架結構，主要抗側力構件為框架柱?？磁_框架結構與鋼屋蓋周邊V 形鋼柱脫離分開，北側看臺結構與綠化屋面共用混凝土柱（見圖8），訓練館看臺規(guī)模較小且各塊看臺的跨度、弧度均不同，經(jīng)比較分析，從工程造價上考慮，訓練館看臺板采用現(xiàn)澆混凝土看臺板。

圖8 訓練館結構軸側圖Fig.8 Structural Axis Side View of Training Hall

訓練館屋蓋采用輪輻式索桁架結構體系。由剛性外環(huán)梁柱、內(nèi)拉環(huán)、索桁架構成［7］，屬于預應力自平衡的全張力結構體系。主結構共有24 榀索桁架，從內(nèi)拉環(huán)中心呈輻射狀布置。

索桁架長軸直徑為89 m，短軸半徑為74 m，如圖9 所示。標高范圍為10.442～18.742 m，跨中標高為18.742 m，短向矢跨比為4.6/74=1/16.1，長向矢跨比為4.6/89=1/19.3。其中上徑向索、下徑向索采用密封索，環(huán)索和屋面構造索采用高礬鋼索，撐桿采用圓鋼管。環(huán)索共設置3 環(huán)，每一環(huán)又分為上下環(huán)；每榀索桁架之間環(huán)索斷開，每一環(huán)由24 根單根拉索串聯(lián)成環(huán)狀。索網(wǎng)結構主受力索下弦索采用φ110 高強密封索，上弦索采用φ100密封索，上下環(huán)索采用φ60高釩索，屋面環(huán)索采用φ30高釩索。

圖9 訓練館結構剖面Fig.9 Structural Profile of Training Hall

屋蓋的支撐體系和抗側力體系由外圍V 撐和屋面環(huán)梁共同組成。外圍V 撐部分支撐于首層，部分支撐于綠化斜坡屋面結構上。截面均采用梭形變截面鋼柱，截面為φ500～800～500×t30，鋼柱兩端采用鉸接設計，下端設置萬向球型鉸支座，有效減少上部鋼結構與下部混凝土結構的相互影響。屋面受壓環(huán)梁采用箱型梁，其截面為B1 000×1 500×40，鋼結構材質(zhì)均為Q355B。

5.4 游泳館結構體系

游泳館屋面鋼結構采用單層馬鞍形索網(wǎng)結構，平面為橢圓形，尺寸為114×76.5 m。索網(wǎng)標高范圍為12.85～20.85 m，跨中標高為16.85 m。馬鞍形索網(wǎng)短向矢跨比為1/17.75；長向矢跨比為1/27.25。

游泳館屋蓋結構基于建筑馬鞍形曲線造型的設計構思經(jīng)計算分析后發(fā)展起來，結構設計采用大面積的單層索網(wǎng)結構，屋面系統(tǒng)采用3 層PTFE 膜結構系統(tǒng)，分別為外膜、內(nèi)膜以及吸音膜組成，內(nèi)外膜中部形成空腔，隔絕內(nèi)外溫度、濕度的交換，起到遮陽、保溫、隔熱的作用；室內(nèi)吊頂采用A 級阻燃吸音膜，滿足室內(nèi)效果和耐火極限要求。

馬鞍形邊緣支承體系為單層索網(wǎng)屋面成型提供了良好的條件，能夠使承重索和穩(wěn)定索受力均勻。游泳館承重索方向馬鞍形高差約7.650 m，為單層索網(wǎng)結構提供了良好的豎向剛度。

索網(wǎng)結構由兩組曲率相反的索構成，向下凹的承重索縱索采用2φ65高強密封索（預拉力2 300 kN），索網(wǎng)間距為4.5 m，承受屋面恒載和向下的活載；向上凸的拉索為穩(wěn)定索采用2φ45高強密封索（預拉力1 300 kN），索網(wǎng)間距為4.5 m，承受風荷載引起的向上的吸力［8］。

屋面鋼結構的支撐體系和抗側力體系由外圍V支撐和屋面環(huán)梁共同組成［9］。屋面支撐體系為場館外圍V支撐，東側4根V支撐于首層，西側8根V支撐于綠化斜坡屋面結構，南北兩側V 支撐于二層混凝土結構上（見圖10），截面均采用變截面鋼柱，屋面環(huán)梁采用焊接矩形鋼管梁。環(huán)梁、混凝土結構以及外圈V 撐形成一個閉合的馬鞍形整體，有效地控制了整體扭轉(zhuǎn)。

圖10 綜合游泳館整體計算模型Fig.10 Overall Calculation Model of Comprehensive Swimming Pool

6 結語

⑴ 本文介紹了某體育中心項目的結構設計情況。針對場地狹長、地層淤泥深厚，大型施工機械較難適應本工程的特點，結合各單體建筑造型以及功能要求，下部混凝土采用框架結構、預制看臺板體系，屋蓋鋼結采用了索穹頂、單層索網(wǎng)、輪輻式雙層索網(wǎng)以及張弦梁等索承結構體系。

⑵體育場采用8 個巨型格構柱為屋蓋整體結構提供必要的抗扭剛度和側向剛度；體育館、訓練館以及游泳館采用沿屋蓋周邊布置V 型柱，形成一個閉合的整體結構，為結構提供較大的抗扭剛度和滿足《鋼結構設計標準：GB 50017—2017》要求的抗側剛度。

⑶根據(jù)建筑外形及功能要求，本工程采用了多種形式的索承結構體系，經(jīng)綜合分析，達到了安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理、美觀以及高效的材料利用率的目標，為大跨度索承結構體系在強臺風地區(qū)的應用起到了一定的推動作用。筑工業(yè)出版社，2010.