韩国新建的两座体育场结构设计

2001-07-10田凤秀李宰赫孔道焕

建筑创作 2001年4期

（韩国）田凤秀　李宰赫　孔道焕

韩国作为国际足联2002年世界杯韩国和日本两个举办国之一，计划新建10座高标准体育场。其中三座现已完成并已用于2001年国际足联联合会杯赛事，另七座正在施工之中。10座体育场分别建在韩国的10个城市，包括：济州、金州、仁川、光州、釜山、汉城、水原、大邱和蔚山。

2002年世界杯首场赛将在汉城举行，

决赛将在日本的横滨进行。

田宇构造结构工程师事务所有幸参与了济州和釜山体育场的设计。现将两座新建的体育场简介如下。

济州2002年世界杯足球赛体育场结构设计

济州体育场位于韩国济州岛的西归浦市(Seoguipo)，由韩国丰林建设(Poonglim & Construction)、一建建筑师事务所(II-kun Architect)和田宇构造结构工程师事务所(Jeon and Associates,JAA)与美国Weidlinger Associates Inc.合作设计。体育场地上4层，地下2层，拥有42 000个座位。西看台屋盖为空间桁架，屋面为索膜结构，整个屋盖由6根桅杆及钢索牵拉着。屋盖下方的座位区可满足国际足联的比赛要求。

由于地形的特殊性，比赛场低于地面并将看台沿周边排列，以减少土方工作量。建筑物高度的控制是由体育场的最佳整体效果来控制的。

体育场的建筑形式体现了当地传统渔船“Teu”的形象。覆盖着体育场一侧的半月形屋盖，其径向桁架连接着前后桁架，并由桅杆上的钢索牵拉着。看台结构和屋盖结构是脱开的，以减小所有荷载组合在一起后引起的不可预料的应力。(图3)

⒈屋盖结构构件及其作用

⑴前桁架及径向桁架的场内端头用于有效地抵抗风吸力。连接在桅杆上的钢索承担重力荷载和正向风荷载。

⑵后桁架用作约束径向桁架场外端头并传递屋盖荷载至主径向桁架。

⑶带悬臂的径向桁架由圆形钢管组成，它起到连接前、后桁架的作用。

⑷由三种构件组成的系桁架，除了支承屋盖荷载外，还具有控制主桁架结构侧向位移的功能。

⑸位于屋盖场内端头的前缘桁架，用作抵抗风吸力。

⑹桅杆是支撑屋盖结构的主要构件，它由不同直径的变截面钢管构成。6根高度不等的桅杆(80m/60m/40m)支撑着整个屋盖结构。

⑺拉索及边索固定在桅杆的顶部。一根拉索（∮82.5）支撑着屋盖的前端，而后端两根边索（∮69.8）支撑着屋盖的后端。

⑻用于牵拉桅杆的牵拉索应紧紧地固定在锚固件上。牵拉索是用作平衡屋盖结构荷载的。

⑼支撑薄膜的四面体索桁架包括四根底部钢索、四根顶部钢索和压杆。四根底部钢索用于控制主桁架侧向位移并起着次结构的作用。

⑽覆盖在径向桁架和连接桁架上的薄膜应设计成最稳定的弧形屋面。薄膜是由PTFE及玻璃纤维制成的。承担外荷载的薄膜要求具有适当的曲率，薄膜曲面通常具有两个垂直曲率用以承担反方向的荷载。

⒉屋盖结构

⑴体育场屋盖结构的分析及设计

本工程采用了三个非线性三维有限元分析程序，它们是：由BIRDAIR有限公司开发的BLD3D和MCM程序以及商业通用程序LARSA。三个程序都能用于索屋盖结构的几何非线性分析。BLD3D和MCM程序仅用于分析静荷载作用下的膜单元构件。LARSA程序用于完成动力分析并给出每个振型。

Weidlinger Associate Inc.(WAI)在设计中采用了以下三个主要步骤：

①利用LARSA进行初步分析和设计。

②根据初设的结果，WAI利用MCM对均布风荷载作用下的半跨计算模型进行了分析并优化设计，为桁架和钢索选择最佳的构件尺寸。

③根据上述分析和设计的结果，WAI利用BLD3D对不对称风荷载作用下的全跨计算模型上进行最后的分析，并根据规范对构件进行核算。

④动力分析由LARSA完成。本工程的自振频率为4.9Hz，超出了1.5～3.4Hz的共振频率。通过动力分析，了解体育场的结构动力特性，保证设计方案的安全和经济性。

⑵体育场屋面索膜结构的设计

体育场屋面的索膜设计采用了MCM程序。索膜是按每个单元单独分析的，每一单元约束在径向桁架和前、后桁架上。每一单元包括膜、悬空压杆、吊索、脊索和谷索。索膜的计算模型其边界条件按固定考虑。

⑶风洞试验

通过风洞试验，正风压系数的最大值和平均值分别为2.74和0.88，而负风压系数的最大值和平均值分别为-5.47和-1.82。室外装饰物设计的风荷载，正风压为3.18KN/m2，负风压为-6.35KN/m2。结构构件设计的风荷载，向下方向为1.02KN/m2，向上方向为-2.11KN/m2。风环境评估试验表明当G.F值设定为2.0时，体育场内达到了办公楼的标准。

⒊屋顶桁架的锚固及钢索基座

⑴屋顶桁架的锚固

风吸力产生的侧向反力为4 160KN，拉力为1 160KN。这些反力由3 600t的混凝土锚固件以及土壤的摩擦力来共同抵抗。

⑵钢索基座

正风荷载产生的侧向反力为690KN及200KN，拉力为1 900KN。混凝土锚固件自重为400t用于抵抗这些反作用力。

⒋屋盖结构的安装顺序

⑴桁架构件的组装

桁架所有杆件制作后运送到施工现场。径向桁架的场内段(T1-6，T1-6)在球场上拼装，径向桁架的场外段则在体育场外拼装。当装配好的径向桁架搁置在临时支柱上时，开始组装桁架和前桁架。

表示了区域1的安装顺序，其中1-1分区的构件号为：

①T10和T8

②后桁架

③前桁架

④T9

⑤系桁架和前缘桁架

⑥按同样步骤安装1-2分区构件

⑵桅杆的安装

屋顶桁架组装完成后，开始桅杆的安装。桅杆安装的第一步是，第一段桅杆就位后用牵索进行临时固定。第二步是将第二段桅杆就位并与第一段相接，第二段的顶部用牵索临时固定。桅杆组装的第3～5步同第二步。

⒊钢拉索的安装固定

桅杆安装完成后，按以下步骤固定拉索：

①用起重机吊升钢索。

②用液压千斤顶提起径向桁架。

③用钢销连接桅杆和桁架后，将桁架降至设计标高。

④采用固定装置拉紧钢索。

安装牵拉钢索时，先将钢索连接在桅杆的顶部，然后用卷扬机拉紧钢索。

（徐晓梅译）

釜山2002年世界杯足球赛体育场钢索薄膜屋盖

⒈前言

韩国釜山正在为2002年世界杯足球赛建造一个可容纳7.1万名观众的体育场。它最初是为2002年亚运会设计的，为适用于多种比赛，屋盖结构采用了可缩进的三角形拉撑穹顶。后来，按照釜山市要求，该场还要用作2002年世界杯足球赛场，由于原设计的屋盖开洞太小，不满足国际足联要求场地草坪具有充分日照。因此，屋顶结构改用索膜体系，中间椭圆形洞口尺寸为180m×152m，代替原设计的直径为120m的洞口。新的屋盖结构，由上、下两层环形钢索和48根径向索桁架组成。径向索桁将上、下环形钢索连接在一起。整个屋盖结构支承在外圈四周钢筋混凝土斜柱及钢压力环梁上。

新屋盖结构体系，由德国斯图加特Schlaich Bergermann und Partner公司设计，由韩国汉城田宇构造结构工程师事务所（Jeon and Associates）协调审定，并根据屋盖结构的变化，重新核定了混凝土框架系统及其安全性。

屋顶呈圆形，直径为228m。支撑结构由48根人形斜柱和垂直混凝土柱组成。屋面面积为20 000m2，椭圆开洞长轴为180m，短轴为152m。屋架高度长向为13.6m，短向为21.6m。屋顶钢索与其下部的支撑钢筋混凝土柱相对应，分成48个部分。

⒉索桁结构

钢压力环梁由宽为1 400mm、高为1 200mm～750mm、钢板厚度为30mm的梯形钢管构成。压力环梁座在混凝土柱顶上并与斜钢柱连接。环梁和柱的连接处采用了14根直径为36mm的预应力合金钢筋，每根施加700kN预应力。

索桁由环索、径向索、垂直索和立柱组成。洞口周围的内侧布置了二道拉力环。上拉力环由三根直径为71mm钢索构成，下拉力环由三根直径为94mm钢索构成。

2×48mm径向钢索连接斜柱和内索环。径向索的尺寸依实际荷载而不同。上层径向索直径为43mm～52mm，52mm～68mm。南北长25m，东西长39m。垂直索直径为18mm。立柱采用直径为355mm、壁厚为25mm的钢管。索桁剖面示意。

所有接头卡具和连接钢索均为钢铸件，使连接件能按受力大小成形，且保证了钢索具有光滑的弯曲半径。

⒊膜结构

膜结构由48个单元组成。每个单元支承在2个相邻的上层径向索以及上层环索及钢压力环上。带拉索的钢管拱、跨在两个径向索之间。拱跨度为10.64m～13.6m。特制的铝连接件附在拱的上面，将膜固定，并将膜的提升力传到拱上。这种连接也传递侧向力。

跨度达13.6m的拱自重仅100Pa。前、后膜边呈圆形，用柔性细钢索加应力。径向膜单元边缘用金属板带住，金属板带固定在径向钢索上，从而平衡水平切向力。有一层辅助膜焊在主单元上，搭缝连接，使径向连接密封防水。薄膜接缝沿放射方向，既美观又节省材料。PVC涂层聚酯膜，上下表面加含氟高分子保护层，最低透明度8%。薄膜厚度0.8mm，允许张力5 800N/5cm。

⒋结构设计

预应力屋架经风载和雪载试验。风载是通过加拿大安大略省RWDI试验室详细风洞试验后确定的。钢索结构后部和前部风载分别为0.25kPa和1kPa，膜结构风载为0.75kPa～2.0kPa。雪载按韩国工业标准定为0.55kPa。给出了各种荷载下的最大位移，其中静荷载作用下位移为17.4cm，在百年一遇最大不均等风荷载作用下(E-N方向)最大位移为235.5cm。东西垂直钢索上的预应力为150kN，下环钢索的预应力为8 600

kN。整个结构体系是按非线性几何软件进行分析的。

只要薄膜应力是均匀的，薄膜就不会发生颤动。在永久荷载作用下薄膜应力为7 420kPa，而在临时荷载作用下为35 600kPa。薄膜的形状及其应力都是经过程序分析后确定的。

⒌施工

屋盖施工，首先是安装钢斜柱和钢压力环。索桁安装顺序如下：在地上布置三根上层环索，然后将48根上层径向钢索与上层环索连接在一起，通过设置在外圈斜柱及钢压力环上48个提升装置牵拉钢索。然后组装下层环索和下层径向钢索，最后提升到位。

提升过程中所有中间环节都是经过事先计算的，并在提升过程中对内力和几何尺寸不断地进行测定，仔细地加以控制。径向索与斜柱之间采用销接。提升过程中最后测定的结果与计算书中的要求只有微小的差异。表示安装的顺序。最后是安装膜单元。（刘河译）

作者单位：韩国汉城田宇构造结构

工程师事务所

收稿日期：2001年5月

场地平面布置图