宁波奥体中心游泳馆结构设计

高久旺，王晓光，林振联，陆烨佳，梁星明，杨想兵，廖新军

(悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司， 北京 100013)

1 工程概况

宁波奥休中心是集文化娱乐、体育运动为一体的综合性体育中心，包括体育馆、游泳馆、综合训练馆和射击馆等。其中游泳馆总建筑面积78 293m2，地上31 656m2，地下46 637m2，共有观众席位约3 306座。游泳馆屋盖投影近似椭圆，长轴约219m，短轴约103m，屋面最高点标高为31.370m。整体效果图如图1所示。

图1 建筑效果图

游泳馆主要由比赛区、热身区、观众大厅、健身区及配套用房等组成，下部采用钢筋混凝土框架结构，屋盖采用钢结构。地下一层，地上二层，局部四层，为了不影响建筑平面功能，混凝土部分结构不设缝。

本工程建筑结构安全等级一级，结构重要性系数取1.1，结构设计使用年限为50年，结构设计基准期为50年，建筑抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为6度(0.05g)，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅳ类，场地特征周期为0.65s，风、雪荷载重现期：混凝土部分取50年，钢结构屋盖取100年。

2 基础设计

本工程采用桩基础，支承钢屋盖的柱柱底采用φ1 000桩，桩端持力层为第⑨3层粉质黏土，有效桩长约为68m，单桩竖向抗压承载力特征值为4 400kN。比赛池及跳水池区域荷载较小，采用φ600桩，桩端持力层为第⑥3层粉质黏土，有效桩长约为42m，单桩竖向抗压承载力特征值为1 200kN，单桩竖向抗拔承载力特征值为1 000kN。其他区域均采用φ800桩，桩端持力层为第⑨1a层或第⑨1层粉质黏土，有效桩长约为61m，单桩竖向抗压承载力特征值为2 650kN。由于场地属于典型软土地区，广泛分布厚层状软土，为减小基础差异沉降，本工程除室外平台、比赛池及跳水池区域桩基础外，其余桩基础均进行桩端后注浆。

3 结构体系与结构布置

3.1 下部混凝土结构布置

游泳馆下部采用钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级为二级，柱混凝土强度等级为C40，梁、板混凝土强度等级为C30。主要柱网尺寸为8.4m×8.4m。椭圆内部支承钢屋盖的主要竖向构件为截面700×900、截面800×1 200型钢混凝土柱及截面800×800混凝土柱，其中截面700×900柱内型钢截面为H500×250×25×30，截面800×1 200柱内型钢截面为H600×400×30×30，型钢材质为Q345B。椭圆周边支承钢屋盖的柱截面为直径900m的圆柱，为与外幕墙倾角一致，采用角度约10°的斜柱，其他框架柱典型截面为700×700。混凝土部分三维模型见图2。

图2 混凝土结构轴测图

热身池上方的健身区楼盖跨度为36.3m，采用压型钢板混凝土组合楼盖，钢主梁两端铰接，钢主梁截面为H2 300×800×35×50，钢次梁截面为H500×300×12×20，次梁间距约2.8m，楼板厚度120mm，混凝土强度等级采用C30，钢材采用Q345B。健身区结构布置见图3。

图3 健身区结构布置图

3.2 钢屋盖结构布置

本工程钢屋盖由比赛区桁架、健身区桁架、东西侧悬挑桁架及观众大厅刚架组成(图4)，典型剖面图见图5，钢屋盖及混凝土支承柱轴测图见图6。比赛区平面投影尺寸约92.4m×67.2m，健身区平面投影尺寸约75.6m×36.3m，比赛区及健身区平面投影尺寸两个方向均相差较大，因此均采用单向平面桁架。比赛区屋盖由12榀桁架组成，桁架跨度67.2m，桁架高度4.5m，采用上弦支承，两端铰接于看台混凝土柱顶；健身区屋盖由9榀桁架组成，桁架跨度36.3m，桁架高度2.5m；东西侧屋盖采用主次桁架结构，为减小悬挑桁架悬挑长度，西侧设置6个钢结构摇摆柱，东侧设置2个钢结构摇摆柱；观众大厅为了尽量接近建筑墙面造型，屋盖采用矩形钢管折线形刚架，上端铰接于看台混凝土柱顶，下端铰接于7.2m标高室外平台柱顶，矩形折线形刚架与混凝土交接的一段截面采用变截面，截面高度线性收小至300mm，其余段均为等截面，北侧刚架跨度为8.6～14.4m，南侧刚架跨度为10.9～21.6m。

图4 钢屋盖平面布置图

图5 典型剖面图

图6 钢屋盖及混凝土支承柱轴测图

屋盖构件材质为Q345B，桁架构件采用圆钢管，墙面钢架采用矩形钢管，主要构件规格如表1所示。

钢屋盖构件截面规格 表1

为增强整个钢结构屋盖整体稳定性，沿桁架支座位置周圈设置了上弦水平支撑，平面桁架面外间隔设置了下弦系杆，并沿屋盖纵向间隔一段距离设置垂直支撑，以增强平面桁架结构面外刚度。观众大厅刚架面外设置系杆及横向水平支撑。

4 荷载与作用

4.1 恒载和活载

钢结构构件自重由程序自动计算，屋盖恒载考虑金属屋面、主次檩条、天沟等取1.0kN/m2，活载取0.5kN/m2，马道恒载取1.5kN/m2，活载取2.0kN/m2。

4.2 风荷载和雪荷载

宁波地区50年重现期的基本风压为0.5kN/m2，由于钢结构屋盖跨度大，对风荷载敏感，取100年重现期的基本风压0.6kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风振系数：除屋盖悬挑端取2.0外，其他部位均取1.6。风荷载作用按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[1]及风洞试验报告结果包络取值。宁波地区50年重现期的基本雪压为0.35kN/m2。

4.3 温度作用

依据宁波当地气象资料，宁波最低基本气温为-3℃，最高基本气温为37℃，合拢温度取(15±2)℃，上部钢结构升温温差取25℃，降温温差取-25℃，下部混凝土结构升温温差取20℃，降温温差考虑混凝土收缩当量温差-10℃，取-20-10=-30℃，混凝土部分考虑徐变引起的应力松弛，应力松弛系数取0.5。

4.4 地震作用

本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度峰值0.05g，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅳ类，场地特征周期为0.65s。根据安评报告[2]，拟建场地的设计地震动参数如表2所示，场地安评报告[2]提供的反应谱曲线与《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中阻尼比0.035小震反应谱曲线比较如图7所示。

由图7可知，安评报告[2]提供的地震影响系数均大于规范谱的地震影响系数，结构设计时地震动参数小震采用安评谱，中震和大震时则采用规范谱。

宁波游泳馆场地地震动参数 表2

图7 安评谱与阻尼比0.035小震规范谱曲线比较

4.5 抗震性能设计

为提高结构的抗震性能，根据本工程特点，不对整体结构设定性能目标，只针对结构关键部位、结构重要构件等设定性能目标，本项目抗震性能目标见表3。

5 结构计算分析结果

鉴于工程比较复杂，采用了多个模型进行分析计算。不带钢结构的混凝土单体模型A(PKPM建模)，此模型钢结构作用在混凝土结构上的反力以荷载的形式加入到混凝土单体模型，楼板采用弹性膜假定；不带钢筋混凝土结构的纯钢屋盖计算模型B(SAP2000建模)，此模型支座采用弹性约束；包含混凝土结构及钢屋盖的整体结构模型C(SAP2000建模)用于进行结构总装计算分析[3]，图8为整体总装计算模型。

抗震性能设计目标 表3

图8 整体总装计算模型

5.1 模态分析

模态分析采用Ritz向量法，使用SAP2000软件计算整体总装计算模型前30阶振型，使振型质量参与系数达到90%，得到的前15阶结构振动周期与振型质量参与系数见表4。

结构振动周期与振型质量参与系数 表4

结构第1，2，7阶振型分别为屋盖竖向振动、整体结构的Y向平动、整体结构的X向平动，第14阶振型为扭转主振型，扭转周期与第一阶平动周期之比Tt/T1=0.68<0.9，钢结构屋盖竖向振动频率为1/0.766=1.31Hz>1Hz，满足设计要求。

地震作用下结构主要控制指标见表5。剪重比及层间位移角均满足规范设计要求。

地震作用下主要控制指标 表5

5.2 典型关键构件抗震性能化设计

支承钢屋盖的框架柱为本工程的关键构件，采用整体总装模型进行分析，并按抗震性能标准进行中震弹性设计、大震不屈服设计。典型关键构件中支承比赛区桁架的型钢柱，根据实际配筋绘制的P-M相关曲线如图9所示，满足既定的抗震性能目标。

图9 典型关键构件P-M相关曲线

5.3 屋盖变形分析

结构在静力作用下变形见表6。在恒载+活载(雪载)+降温标准组合下，屋盖变形最大；比赛区屋面桁架跨中最大挠度为173mm，满足挠跨比小于1/250的要求；热身区屋面桁架跨中最大挠度为75mm，满足挠跨比小于1/250的要求。

5.4 钢屋盖构件设计结果

钢屋盖构件应力比主要由非地震组合工况控制，最大应力比均小于0.9，墙面折线刚架最大应力比0.658，比赛区桁架弦杆最大应力比0.817，热身区桁架弦杆最大应力比0.781。在中震弹性组合工况下，部分杆件较小震组合工况下应力水平略有增大，但均小于1.0，满足中震弹性设计的抗震性能目标。

钢结构最大挠度 表6

6 钢屋盖稳定性分析

为分析钢屋盖的整体稳定性，以1.0恒载+1.0活载为荷载工况进行了线性屈曲分析，计算结构的屈曲模态及屈曲因子。结构第一阶屈曲荷载特征值为19.1，主要为健身区桁架上弦平面外屈曲，表明结构刚度较大，稳定性较好。

线性屈曲分析不能考虑几何非线性的影响，会高估结构的稳定性能，不能反映真实的结构稳定承载力，因此在线性屈曲分析基础上，考虑几何非线性及初始缺陷，对钢屋盖结构进行非线性屈曲分析。初始缺陷按一致缺陷模态法考虑，缺陷的最大值取为结构跨度的1/300，考虑1.0恒载+1.0活载荷载工况，采用位移控制法进行求解。经计算，得到非线性屈曲稳定系数为5.56，满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[4]规定的最小稳定安全系数为4.2的要求，表明结构具有良好的稳定性能。

7 大跨度楼盖舒适度分析

本工程健身区楼盖跨度36.3m，根据文献[5]，具有节奏性运动的房间，当楼盖系统自振频率小于5Hz时容易引起共振，健身区结构竖向振型频率1/0.289=3.46Hz<5Hz, 因此有必要进行楼盖振动分析，判断楼盖振动加速度是否满足加速度限值要求。

采用MIDAS Gen7.3.0软件建立舒适度分析的有限元计算模型，计算时偏安全考虑质量源只计入1.0恒载。混凝土部分材料阻尼比取0.05，钢结构材料阻尼比取0.02，考虑动力荷载影响，混凝土弹性模量提高1.2倍计算[6-7]。考虑单人、多人行走、跑动等多种工况[8]，得到楼盖跨中节点振动峰值加速度为0.06m/s2，根据美国技术应用委员会ATC发布的设计指南[9]的建议，有节奏运动场合加速度限值为0.5，可以判定楼盖舒适度满足要求。

8 下部混凝土超长结构设计

混凝土结构二层平台长度约219m，体型超长。针对本工程的特点，拟采取以下措施来减小因结构超长引起的混凝土收缩和温度应力的不利影响：

(1)沿建筑环向、径向位置设置伸缩后浇带，间距控制在30～40m左右，且严格控制后浇带的合拢时间及合拢温度，合拢温度不超过15℃。

(2)采用低水化热的普通硅酸盐水泥和级配良好的碎石骨料配制混凝土，并适量掺入粉煤灰。

(3)采用高效减水剂，降低水泥用量，严格控制水胶比。

(4)控制混凝土的入模温度，尽量低温入模。

(5)加强施工过程中混凝土的养护、覆盖等。

(6)根据温度作用计算结果，在楼板中布置直径小、间距密的普通温度应力钢筋。图10为降温工况下二层楼板温度应力。可见，沿结构长向温度应力较大，一般均为0.5～1.0MPa，洞口周边局部应力集中，最大温度应力约1.5MPa；三层及以上楼板温度应力显著降低。楼板设计时，板纵筋间距不超过150mm，贯通钢筋的配筋率每层每向不小于0.3%。

图10 降温工况下二层楼板温度应力/MPa

9 异形跳台结构设计

本工程跳台造型独特，塔身为光滑的空间曲面，采用清水混凝土。跳台板标高分别为10，7.5，5，3m，除标高3m跳台板竖向构件为沿空间变截面的三角形柱截面外，其余标高跳台板竖向构件均为类似菱形的筒体，墙体厚度由底板600mm均匀收至顶部300mm，菱形的角部位置设置异形暗柱。跳台板悬挑前端均为200mm厚，根部位置由悬挑距离不同为300～550mm厚变化。图11为跳台整体计算模型，所有构件均采用壳单元进行模拟。

图11 跳台整体计算模型

根据国际泳联设施规则2013-2017[10]要求，跳台板的自振频率≥10.0Hz，塔身自振频率≥3.5Hz，整体结构的自振频率≥3.5Hz。表7为跳台板及塔身基本振动频率。可见，跳台板及塔身满足上述要求。

跳台板及塔身自振频率 表7

跳台板及塔身构件通过SAP2000软件截面切割提取内力进行配筋，且控制塔身钢筋间距不超过150mm，塔身墙体单侧受力纵筋的配筋率不小于0.3%，竖向弧度较大处附加钢筋。

10 结论

(1)宁波奥体中心游泳馆由下部混凝土结构及上部钢结构组成，下部混凝土结构采用框架结构，其中支承钢屋盖桁架的框架柱采用型钢混凝土柱。对结构进行整体总装模型计算分析，并设置相应的抗震性能目标，整体总装模型计算结果表明，结构具有较好的抗震性能。

(2)对健身区大跨度组合楼盖进行舒适度计算分析，结果表明，楼盖具有适宜的刚度和舒适度。

(3)对于下部超长混凝土结构，通过设置伸缩后浇带、计算分析楼盖温度应力、对适当部位配筋进行加强以及在设计文件中明确相应的施工措施，可有效地解决结构超长问题。

(4)钢屋盖由管桁架及折线形刚架组成，结构体系合理且较好地实现了建筑效果，稳定分析显示，钢屋盖结构的整体稳定性能满足规范要求。