厦门某市民体育中心综合馆结构设计

洪 哲

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361006 )

1 工程概况

厦门某市民体育中心工程，位于福建省厦门市集美区，由4栋场馆组成(图1)，总建筑面积约为6万m2，本文所介绍的综合馆单体位于场地的东南角，地下1层，地上3层(图2)。综合馆的造型独特新颖，整体风格以闽南嘉庚风格为基础，在保留柱廊、屋面红砖和燕尾脊等特点的同时，糅合了现代建筑的设计手法，巧妙地将传统四坡屋面改为层叠的双坡屋面，使室内的使用空间得以拓展，而屋脊的位置通过平面拉伸形成平顶，用于设置采光玻璃带。该建筑方案一方面保证了其整体造型与周边建筑的协调统一，另一方面又兼顾了体育场馆的实际使用需求。综合馆屋脊平顶处建筑标高为29m，结构高度从室外地面起算约30m，为大跨度屋盖的高层建筑结构。典型的建筑南北向剖面图如图3所示。

图1 项目总体鸟瞰图

图2 综合馆效果图

图3 综合馆剖面图

2 结构设计难点

建筑造型的独特性对结构设计也带来了一定难度。首先屋面造型为层叠的八字形屋面(图4)，同时屋盖的跨度较大，短跨约为67m，长跨约为77m，东西两侧屋盖高坡与低坡之间层叠错坎高度为3m，该屋盖造型如何实现，为结构设计最主要的难点。其次，综合馆上部采用大跨度轻钢屋盖，下部结构采用钢筋混凝土结构，二者之间如何衔接，混合结构如何进行计算分析，计算考虑哪些因素，也为结构设计的难点。而由于屋盖为八字形，造成东西两侧山墙面在靠近中部(屋脊平顶)位置框架柱高度为最高，无楼层梁约束的框架柱悬臂长度约为15m(柱总高约25m)，框架柱设计如何考虑，也是混凝土部分结构设计需要考虑的问题。

图4 屋盖建筑造型轴侧图

3 结构设计

3.1 结构体系

根据建筑造型的特点，综合馆采用的是钢-砼混合框架结构体系，上部屋盖采用正交平面钢管桁架结构，下部主体结构采用钢筋混凝土框架。为提高结构的整体抗扭转能力同时抵消部分坡屋盖水平推力的影响，在建筑物的4个角柱位置增设与角柱连为一体的L型剪力墙，对结构的角部进行加强处理。结构的整体模型如图5所示。

图5 综合馆整体计算模型

3.2 设计参数

综合馆结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度0.15g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg=0.45sec，砼结构抗震等级均为二级。50年一遇基本风压为0.8kN/m2，地面粗糙度类别为B类。计算时，阻尼比采用分组阻尼，砼结构部分取5%，钢结构部分取4%。温度荷载按±25℃考虑，计算时考虑竖向地震作用影响，嵌固端取为地下室顶板。

3.3 基础设计

根据地勘报告[1]，该场地土层分布较为均匀，地下室底板标高以下不存在软弱土层，由上至下主要为⑷b粗砂层(较薄)、⑼残积砂质粘性土层、⑽全风化花岗岩及⑾砂砾状强风化花岗岩。由于地下室层高较高，地下室底板以下水浮力较大，而主体结构内部主要为开敞的场馆空间，因此基础设计除了考虑竖向承压外，还需考虑抗浮设计。结合地勘报告和实际结构受力情况，综合馆基础型式采用桩基础，桩型采用锤击预应力高强混凝土管桩，持力层为⑾砂砾状强风化花岗岩。

3.4 结构计算

结构采用钢-砼整体模型及钢屋盖独立模型进行分别计算，包络设计。整体模型采用YJK软件进行建模，钢屋盖按实际杆件布置于空间层内，并与下部混凝土结构组装成整体(图5)。YJK对组装后的整体结构进行了竖向荷载、地震作用(水平、竖向)、风荷载、温度荷载等作用效应的分析计算，控制结构各计算指标、混凝土结构配筋及钢结构应力比等满足相关规范要求。屋盖独立模型采用3D3S和MIDAS/GEN两种软件进行设计计算(图6～图7)。

由于钢屋盖与下部混凝土柱连接形式设计为铰接，因此，两个程序均按支座为固定铰支座及支座输入下部混凝土柱的水平支承刚度的两种支座方式进行包络计算，以充分考虑支座约束情况对钢屋盖的影响。其中，钢屋盖支座的水平支承刚度取值依据为YJK整体模型中柱刚度计算结果。

图6 钢屋盖3D3S独立计算模型

图7 钢屋盖MIDAS/GEN独立计算模型

3.5 上部钢屋盖结构设计

上部大跨度钢屋盖X向跨度为66m，Y向跨度为76m，在保证大跨度屋盖结构安全可靠的前提下，如何实现建筑的创意造型是该项目结构设计最主要的难点。

结合建筑坡屋盖造型特点，首先结构设计时将屋盖分为3个部分(图8)，上下斜屋面部分由于东西侧各层叠3m，可看作为两块斜屋面“折板”，中部平顶部分则是一块完整的“平板”。由于屋盖结构上下完全对称，如若中部平顶区能设计成一个很大刚度(竖向及水平)、强度的“支座”，那么两侧坡屋盖仅需通过设置Y向桁架连接建筑南北侧边柱及中部平顶“支座”，即可将屋盖搭建出来。

该结构方案有几个优点：

(1)中部平顶部分由于建筑造型简单，受力、构造均相对清晰，作为中部“支座”的思路较容易实现。

(2)有了中部“支座”后，屋盖受力体系大大简化，上下侧坡屋盖及层叠造型仅需设置Y向斜桁架连接中部“支座”及两侧结构柱即可实现，屋盖由“双向板”受力简化成“单向板”受力，传力更为直接。

(3)上下斜屋盖对称，由于中部“支座”较大的水平刚度能吸收及平衡上下斜屋盖较大的水平推力，建筑边柱处承担的水平推力有效减少。

图8 屋盖建筑平面图

结构体系根据上述结构设计思路进行设计，屋面考虑为采用正交平面钢管桁架结构，设计中重点要考虑中部平顶“支座”如何实现问题。中部平顶范围上下两侧于建筑的D轴、G轴与斜屋面交接(图9)，因此，D轴、G轴的X向桁架是中部平顶范围最重要的两榀桁架。由于上下斜屋面有3m的叠高造型，因此交接轴D轴、G轴中部相应有3m的高起，以满足斜屋面Y向桁架的搭接关系。

鉴于D轴、G轴桁架的重要性，结构设计首先考虑利用建筑3m的高起，将这两轴桁架跨中区域的矢高加大至6m，这样可大大提高结构的竖向刚度，降低跨中区段桁架的竖向变形，起到中部“支座”的作用。D轴、G轴桁架的立面布置图如图10所示。

图9 中部平顶“支座”结构布置图

图10 D轴、G轴桁架立面图

建筑坡屋面叠高后，叠高部位的屋面与中部平顶区形成3m的高差，由该高差带来的不平衡弯矩对D轴和G轴桁架的面外稳定性不利。由于D轴、G轴桁架至关重要，为解决其面外稳定性问题，结构设计将D轴、G轴由平面桁架拓展成空间桁架(图11)，空间桁架分别由两榀平面桁架并联而成，这样一来，一方面解决了这两轴桁架平面外刚度不足问题，另一方面其竖向刚度也增大了一倍，中部“支座”的作用得到进一步强化。

图11 D轴、G轴空间桁架示意图

而D轴、G轴之间的E轴、F轴由于受荷面积较小，则设计成矢高为3.4m的普通X向平面钢管桁架，并于D～G轴间布置间隔为8.4m(两侧)及5.6m(中部)的Y向支撑桁架，并于桁架上、下弦位置满布水平支撑(图9)，通过这样的结构布置，形成中部平顶区较大刚度、强度的中部“支座”。

解决了中部平顶“支座”区的设计后，两侧坡屋盖的搭建则较为简单，通过设置与屋面同斜度的斜向桁架搭接于中部“支座”与建筑边框柱之上即可。同时，斜向桁架与中部平顶区的Y向支撑桁架于平、立面上均一一对应，以保证内力传递的连续性。低坡处、高坡处及叠高位置的斜桁架结构布置如图12所示，平面布置如图13所示。

图12 低坡、高坡及叠高位置斜桁架结构布置

图13 上下侧坡屋盖桁架结构平面布置图

上述主要桁架布置完后，通过设置次一级的桁架对较大的区格进行分割，并布置上下弦水平支撑，最终完成整个钢结构屋盖的结构布置设计。

钢屋盖部分，主要采用3D3S及MIDAS/GEN两种软件进行独立屋盖的电算。两种软件均按铰支座及考虑柱支承刚度(取自YJK模型)的弹簧支座模型分别进行计算，考虑竖向荷载、地震作用(水平、竖向)、风荷载、温度荷载作用效应的影响，并进行施工阶段的复核，最终控制中部平顶区构件应力比(含强度、稳定)小于0.7，两侧斜屋盖部分应力比小于0.8，保证了结构具有一定的承载力冗余度。而由于中部平顶“支座”的设置，提高了结构跨中部位的竖向刚度，结构的竖向变形得到了有效的控制，计算结果显示结构最大挠度值约为80mm，远小于规范的要求。典型的钢屋盖固定铰支座节点大样如图14所示。

图14 典型的钢屋盖支座节点

上述大跨度钢屋盖的结构设计能与建筑造型紧密结合，通过中部平顶“支座”的设置，结构传力途径得以简化，概念清晰，经多工况的电算验证，效果良好。

3.6 下部混凝土结构设计

作为钢屋盖支承的下部混凝土部分为3层，其中一层(地下室顶板)主要建筑功能为篮排球运动场地，二、三层主要为看台及配套用房。正负零标高以上结构整体呈“回”字形，较为规则，南北向、东西向均基本对称，二层结构平面布置图如图15所示。

图15 二层结构平面布置图

三层东、西两侧为斜向看台，南、北侧为设备用房。三层楼盖以上即为支承钢屋盖的结构悬臂排架柱，排架柱顶标高随建筑屋面造型的起伏而高低错落。结构体系采用框架结构，为提高整体结构抗扭转能力并平衡部分斜屋盖水平推力，于建筑物四角设置L型剪力墙进行加强，按“少墙框架”结构进行设计计算。采用YJK程序进行整体模型的建模(图5)，考虑竖向荷载、地震作用(水平、竖向)、风荷载、温度荷载等作用效应的影响，控制结构计算各项指标满足规范要求。由于东、西山墙面建筑屋盖为“八”字形，因此山墙框架柱在中部平顶D、G轴位置为最高，柱悬臂高度约为15m(图16)。

图16 D、G轴框架柱立面图

鉴于前述D、G轴屋盖空间桁架的重要性，以及其支承柱较高的悬臂高度，有必要对D、G轴柱进行加强。设计时，该柱截面采用1.5m×2.0m钢筋混凝土柱，保证其具有较大的刚度和承载能力，从而确保主体结构的安全。

4 结语

该项目屋盖采用层叠的八字形双坡屋面，造型较为复杂，同时屋盖的跨度为67m×77m，跨度也较大，屋盖结构设计具有一定难度。上部钢结构屋盖与下部混凝土结构如何衔接与设计计算则是该项目的另一个难点。为解决复杂屋盖设计问题，结构布置时利用屋盖中部的平顶区域设置较大刚度与强度的中部“支座”，一方面使得结构传力途径得到简化，另一方面也有效减少了结构的相对跨度，将屋盖设计由空间问题简化为平面问题，概念更为清晰，构造更为合理。针对钢-砼混合结构的设计计算的若干问题，运用YJK、3D3S、MIDAS/GEN等程序对钢-砼混合结构整体模型、屋面独立模型在多荷载工况、多支座条件情况下的内力和变形进行分析，包络设计，最终也解决了该项目的第二个设计难点问题。目前该项目已通过施工图审查并进入桩基施工阶段。