金强国际赛事中心体育馆结构设计与分析

2021-06-23胡振杰陈平友

建筑结构 2021年10期

胡振杰，许平，陈平友

(成都基准方中建筑设计有限公司，成都 610011)

1 工程概况

金强国际赛事中心位于四川省成都市温江区，是2021年第31届世界大学生夏季运动会比赛场馆之一，总建筑面积约16.2万m2，地上设一道防震缝，分为体育馆和商业两个结构单元。体育馆建筑面积约4.49万m2，地上5层，屋顶标高43.120m，包含12 560座固定座席及1 620座活动座席，属特大型甲级体育馆，可承办NBA，CBA等高水平国际篮球比赛，同时兼具演艺中心功能，可举办文艺演出等活动。建筑鸟瞰图、剖面图如图1，2所示。

2 结构主要设计参数

2.1 结构设计等级

建筑结构安全等级为一级，建筑抗震设防类别为乙类，地基基础设计等级为甲级，建筑结构构件耐火等级为一级，结构设计使用年限为50年。

图1 建筑鸟瞰图

图2 建筑剖面图

2.2 结构设计荷载

工程所在地区抗震设防烈度为7度，地震分组为第三组，基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅱ类。50年重现期的基本风压值0.3kN/m2；地面粗糙度类别B类；计算屋盖时按照100年重现期的基本风压值0.35kN/m2和风洞试验结果[1]取大值进行包络设计。屋面附加恒载1.0kN/m2；屋面活载：上弦0.5kN/m2，下弦0.3kN/m2；马道荷载：自重1.0kN/m2，检修活载1.0kN/m2；屋盖吊挂荷载(如照明、扬声器及斗屏荷载等)按实际取值。钢结构屋盖整体温度作用：升温27.3℃，降温25.9℃；合拢温度：T0,max=20℃，T0,min=10℃。

2.3 主要的荷载工况

图3 主体结构平面布置示意

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[2]要求，验算构件承载力的荷载组合见表1，表中仅列出了有代表性的荷载工况。结构重要性系数取1.1。表中风荷载考虑多个风向角，温度作用考虑升温和降温工况。其他详细设计参数可查阅文献[3]。

主要荷载(作用)组合表1

3 结构体系比选

3.1 主体结构方案比选

主体结构可选择的方案有：框架结构、框架-剪力墙结构、框架-支撑结构。框架-剪力墙结构和框架-支撑结构首层平面布置如图3所示，框架结构与框架-剪力墙结构、框架-支撑结构的框架部分布置相同。对三种方案总装模型进行计算分析，选择经济合理的结构形式，结构整体指标对比见表2。

主体结构各方案计算结果对比表2

通过表2可以得出：1)框架结构的整体抗扭刚度不足，虽可采用增加周边框架柱和环向框架梁的截面来提高其抗扭刚度，但效率不高，第1振型仍为扭转，且从抗震设防角度讲，框架结构的抗震性能不如框架-剪力墙结构。2)利用建筑的楼梯间，增设6道落地剪力墙，剪力墙设置方式为嵌入环向框架与径向框架之内，有效地增加了结构的抗扭刚度，且从抗震性能上讲，属于多道设防的抗震体系，抗震性能优于框架结构。3)框架-支撑结构的抗扭刚度介于框架结构和框架-剪力墙结构之间，利用不影响建筑使用功能的空间，设置8道“人”字形支撑，能有效控制结构的整体扭转。

综上，从成本及施工便利性考虑，体育馆主体结构采用框架-剪力墙结构较恰当。剪力墙厚度取400mm和500mm；框架柱主要截面为800mm×800mm，支撑屋盖的框架柱截面为1 000mm×1 500mm；框架梁主要截面为500mm×800mm，600mm×800mm；各层楼板均采用现浇钢筋混凝土楼盖体系，楼板厚度取130～180mm；为增强主体结构的整体性，周边看台均采用现浇混凝土看台。

3.2 屋盖钢结构方案比选

体育馆屋盖平面投影呈一椭圆平面，长轴尺寸126.7m，短轴尺寸109.7m，四周悬挑6～15m。屋面标高由顶部向四周呈放射状变化，屋顶最高处标高为43.120m，檐口处标高为34.400m。

根据本工程屋盖特点，钢屋盖结构可选择的方案有：1)正放四角锥网架，网架高7.5m；2)立体桁架，高7.5m；3)张弦拱桁架，总高13.5m，其中桁架高3m；4)双向正交平面桁架组成的正放网架，跨中高9.5m。各方案剖面示意见图4，对各方案进行了静力及地震作用组合的计算分析，计算结果见表3。

图4 钢屋盖各方案剖面示意

屋盖各结构方案计算结果对比表3

通过表3可以看出，各方案各项指标均能满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[4](简称空间网格规程)规定。正放四角锥网架、张弦拱桁架方案用钢量较少；各方案竖向刚度接近。考虑到建筑功能、美观及业主要求，各方案利弊分析如下：

(1)根据业主及建筑专业要求，设备管线及马道需隐藏在屋盖结构内，且为达到简洁、通透的视觉效果，杆件数量要尽量少。正放四角锥网架与立体桁架一方面不利于马道及风管布置；另一方面，其杆件数量较平面桁架多，且较凌乱，且正放四角锥网架采用焊接球节点，球径会很大，影响美观。

(2)张弦拱桁架方案撑杆和索需下挂一部分，且撑杆高度较高，越靠近场地中央高度越大，较高的撑杆对建筑空间视觉效果影响较大；中间区域不仅是比赛的重要位置，同时此处布置有中央斗屏等设备，较高的撑杆影响观众的视线；除了既定的体育赛事外，为兼顾大型演艺活动中心功能，悬挂荷载较大，如果采用张弦结构，不利于吊点设置，影响今后的使用功能；施工方面，张弦结构会增加施工张拉成本，施工工艺也较普通网架结构复杂。

(3)双向正交平面桁架组成的正放网架方案，直线形的各榀主桁架两端均直接支撑在混凝土大柱的支座上，力流传递流畅；组成的双向正交桁架传力简洁，竖向刚度大，桁架上弦坡度与建筑坡面一致，下弦位于同一水平面；屋盖与主体结构采用弹性支座连接，可以有效减小支座水平反力，提高混凝土柱结构安全度，使结构选型与建筑要求能够较好地达到和谐统一。该屋盖结构形式的用钢量相对要大一些，但平面桁架是传统的结构形式，施工工艺成熟、简便，同类型跨度相近的体育馆也多采用此方案[5-6]，且相对于网架和立体桁架方案，平面桁架的空间视觉效果更好，业主及建筑师更愿意接受。

综上，屋盖钢结构采用双向正交平面桁架组成的正放网架体系。桁架端部矢高为3.6～4m，跨中矢高为5.6～9.5m，各榀桁架均支承于周边32个混凝土大柱上，在柱顶沿周边设置一道环向桁架，在下弦、上弦周边及中部两个方向设置钢拉杆，以增强屋盖整体性，屋盖结构布置见图5。

图5 屋盖结构布置示意图

大跨屋盖钢结构对下部混凝土柱顶的推力是本工程的重难点之一，常见的处理方式是屋盖与混凝土柱的连接采用弹性支座[7-9]，以释放屋盖在恒载、活载及温度作用下对柱顶产生的推力，本工程也采用此方案处理，弹性支座技术参数见表4，构造示意见图6。

弹性支座技术参数表4

图6 弹性支座构造示意图

4 地质情况及基础设计

本工程场地地貌单一，地形平坦，未发现其他埋藏的河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物，也不存在岩溶、泥石流、危岩及崩塌、滑坡、采空区、地面沉陷等不良地质作用，场地整体稳定，适宜建筑。基底标高下稍密～密实卵石层承载力高、压缩性低，工程性质好，是拟建筑物良好的持力层，故本工程采用天然基础，以稍密卵石作为持力层，其承载力特征值fak为340kPa，采用抗浮锚杆进行整体抗浮。

5 结构抗震性能目标及设计标准

5.1 整体性能目标

综合考虑各项因素，结构抗震性能目标按C级设计，不同结构构件性能水准见表5。

结构构件性能水准设计要求表5

5.2 屋盖结构设计标准

根据空间网格规程和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[10]的有关规定，另考虑到本工程跨度较大，屋盖在恒载与活载标准组合以及重力荷载代表值与多遇竖向地震作用标准组合下的挠度均按照1/300控制，严于规范1/250的要求。体育馆钢结构构件分为关键构件与一般构件，并设定相应的应力比和长细比控制指标，见表6、表7。

各部位钢构件应力比控制标准表6

各部位钢构件长细比控制标准表7

6 主体结构分析

采用YJK和PMSAP两种软件对结构进行了多遇地震下的反应谱分析和弹性时程分析，采用YJK软件进行了设防地震及罕遇地震作用下的反应谱分析，采用SAUSAGE和ABAQUS软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。主体结构抗震性能计算分析结果见表8。

由表8可以看出，罕遇地震下支座最大位移达到116mm，超过支座设计限位90mm，需判断支座达到限位后柱顶能否承受屋盖推力。通过计算得出，支座达到设计限位90mm时，屋盖对柱顶的推力为8kN/mm×90mm=720kN，假设柱顶位移再增加26mm，按照弹性刚度计算得到柱顶施加的推力为200kN，二者叠加可得达到限位后，柱顶承受的推力为920kN，引起的支撑柱最大弯矩为1 127kN·m，柱截面为1 000mm×1 500mm，内置型钢H900×300×25×25(Q355)，经验算，可满足支撑柱抗剪、抗弯承载力要求。

7 屋盖钢结构分析

采用MIDAS Gen软件2019版对屋盖钢结构进行静力分析、模态分析、反应谱分析、线性和非线性稳定分析、节点有限元分析及施工模拟分析，分析模型均采用屋盖与下部混凝土共同作用的整体模型，采用ABAQUS软件6.14版进行节点有限元分析。

抗震性能计算分析结果汇总表8

7.1 静力分析

静力荷载作用下，关键构件最大应力比为0.56，小于0.7，出现在支座腹杆；主桁架弦杆、腹杆最大应力比为0.69，小于0.8；其他杆件应力比均小于0.85，满足设计标准要求。

考虑屋盖活载最不利布置，分别考虑活载分布在内圈(悬挑部分不布置活载)、外圈(仅悬挑部分布置活载)、西半跨、南半跨等工况，各工况下最大挠度为229mm，对应恒载和内圈活载标准组合工况，小于结构挠跨比限值1/300，满足设计要求。

比较恒载、活载、温度作用及风荷载基本组合下屋盖采用固定铰支座和弹性支座柱顶反力，采用固定铰支座所有框架柱中最大反力为2 697kN，采用弹性支座最大反力为382kN，由此可见，采用弹性支座后，可释放大部分屋盖对柱顶的推力，最大支座位移为40.8mm，设计支座允许变形为±90mm，满足要求。

7.2 整体模态分析

模态分析是动力分析的基础，用以确定结构的自振周期和振型，重力荷载代表值取1.0恒载+0.5活载，得到X向质量参与系数为98.61%，Y向质量参与系数为98.63%，Z向质量参与系数为96.50%，结构前6阶振型如图7所示。第1，2阶振型为屋盖平动，第3阶振型为扭转，第4阶振型为竖向振动，第5阶振型为屋盖平动，第6阶振型为屋盖与混凝土结构整体平动。

图7 屋盖前6阶振型图

7.3 抗震性能分析

多遇地震作用参与组合工况下，关键构件最大验算应力出现在看台支撑柱处的腹杆，其值为0.694，小于0.7，满足设计标准要求；一般构件最大验算应力比出现在屋盖上弦杆，其值为0.779，小于0.8，满足设计标准要求。屋盖在重力荷载代表值和多遇竖向地震作用标准值下的挠度为211mm，小于跨度的1/300(364.8mm)，满足屋盖的挠度控制标准。

设防地震作用参与组合工况下，关键构件最大验算应力比出现在看台支撑柱处的弦杆，其值为0.378，小于1.0，满足设计标准要求；一般构件最大验算应力比出现在屋盖上弦杆，其值为 0.437，小于1.0，满足设计标准要求。

罕遇地震作用参与组合工况下，关键构件最大验算应力比出现在看台支撑柱处的腹杆，其值为0.457，小于1.0，满足设计标准要求；一般构件最大验算应力比出现在屋盖腹杆，其值为 0.538，小于1.0，满足设计标准要求。

采用ABAQUS与SAUSAGE软件对屋盖钢结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，计算结果表明，屋盖钢结构均未出现屈服，未产生塑性应变。

7.4 稳定性分析

7.4.1 线性特征值屈曲分析

采用有限元软件MIDAS Gen对结构进行线性屈曲分析，计算结构在1.0恒载+1.0活载、1.0恒载+1.0西半跨活载、1.0恒载+1.0南半跨活载共三种荷载工况下的特征值，求得结构整体失稳模态及线性特征值屈曲因子K，如图8所示。

7.4.2 考虑几何非线性的稳定性分析

特征值屈曲为体系稳定性承载力的上限，为准确反映整体结构的稳定承载力，应进行考虑几何非线性影响的稳定性分析。采用MIDAS Gen软件，对考虑几何非线性(施加L/300初始几何缺陷，其中L为屋盖跨度)的模型进行极限承载力分析，计算结果如图9所示，最小屈曲因子为6.3，满足空间网格规程规定的最小安全系数4.2的要求。

图8 整体失稳模态及线性特征值屈曲因子K

图9 整体失稳模态及非线性屈曲因子K

7.5 节点有限元分析

综合考虑最不利荷载控制工况，选取了应力较大的几处关键节点进行分析，具体节点位置如图10所示。选取的节点分别为带拉杆的上弦连接节点、不带拉杆的上弦连接节点、下弦连接节点和弹性支座连接节点。限于篇幅，本文仅列出支座节点分析结果。

图10 节点位置示意图

图11 支座节点有限元模型

图12 支座节点von Mises应力云图/MPa

图13 屋盖钢结构滑移施工方案示意

图14 屋盖钢结构施工模拟各阶段变形云图/mm

支座节点有限元模型如图11所示，短柱直径1 000mm，壁厚50mm，高1 100mm，焊接在厚度为50mm的圆形端板上，节点各杆件焊接在节点短柱上，竖腹杆与节点短柱之间采用壁厚50mm的锥形过渡段焊接连接，为避免节点短柱发生屈曲，在短柱内设置两道横向加劲肋和四道纵向加劲肋，加劲肋厚40mm，各构件材质均为Q355B，杆件截面如下：下弦杆1截面φ600×25；下弦杆2，4截面φ351×10；下弦杆3截面φ450×12；竖腹杆5截面φ500×16。模型荷载条件取罕遇地震作用下的杆件内力。支座节点计算结果如图12所示，可以看出，支座节点区域最大应力不超过290MPa，管壁未出现截面塑性发展，能够满足大震不屈服的设计要求。

7.6 施工模拟分析

工程采用分片滑移法施工，施工模拟时，将屋盖钢结构由南向北分为6个滑移单元，每个滑移单元包含2～3榀桁架，施工过程分为六个阶段，第一阶段滑移第1单元，第二阶段滑移第1，2单元，依此类推，第六阶段滑移所有单元。设置两条滑移轨道，如图13所示。在滑移过程中，将原本要在钢结构全部滑移到位后才能焊接安装的通风管、检修通道等都在整榀钢结构滑移前一并完成，实现了钢结构与机电管线组合滑移，因此在施工模拟阶段，除考虑屋盖自重荷载外，还需考虑屋盖内部风管、马道等荷载。

运用MIDAS Gen软件的激活与钝化功能，对钢结构整个施工过程进行分析，主要考察整体结构的变形以及钢构件各个控制位置的受力状态，如图14所示，此处仅列出部分施工阶段的结果。由图14可以看出，各阶段屋盖变形均能满足限值要求，查看各阶段的杆件应力，所有杆件均处于弹性阶段。