许昌体育场结构设计

王 雷,苏 敏,董全利,王文标

(1.中建研科技股份有限公司，北京 100013； 2.悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013)

1 工程概况

许昌市体育会展中心体育场项目位于许昌新城北部区域的曹魏生态园南侧，魏庄生活社区区域，总建筑面积45 500 m2，为中型乙级体育建筑，总坐席数32 450席。

体育场看台高度10.483 m～27.740 m，为上下两层不连续看台。看台外轮廓近似为圆形，南北长约225 m，东西宽约215 m。主体育场看台上覆盖了完整的环状花瓣造型的钢结构罩棚，罩棚由18片造型相同的单元组成，宽约57.1 m。罩棚外边缘东西向和南北向长均约270 m，罩棚最高点标高47.715 m(结构中心线)。体育场立面效果图见图1。

主体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，上部钢结构罩棚采用空间桁架组成的空间网格结构。罩棚设内外两个支座，外支座位于2层室外平台，内支座位于看台框架柱顶部。

本项目建筑结构安全等级一级，抗震设防类别为重点设防类[1]。地基基础设计等级甲级[2]，建筑桩基安全等级一级。混凝土框架及剪力墙抗震等级均为一级[3]。

基本雪压取值为0.45 kN/m2(100年重现期)。

由于本项目罩棚体型复杂、跨度较大，其风致动力效应较为显著，根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范规定，本项目进行了风洞试验，根据风洞试验结果，进行风致振动分析。设计中的风荷载采用荷载规范与风洞试验结果进行包络取值，风洞试验缩尺模型见图2。

本项目规范风荷载取值如下：基本风压ω0=0.45 kN/m2(50年重现期，混凝土结构取值)；ω0=0.50 kN/m2(100年重现期，钢结构取值)。风压高度变化系数μz最大值为1.6，风振系数罩棚前端βz=1.8，罩棚根部及墙面βz=1.4[4]。

结合许昌当地近20年气象统计资料，本项目温度作用取值如下：1)下部混凝土结构升温温差+25 ℃；降温温差-25 ℃；2)上部钢结构升温温差+30 ℃；降温温差-30 ℃；3)合拢温度取为(15±2)℃。考虑混凝土徐变变形引起的构件应力松弛，应力松弛系数取0.4。

抗震设防烈度7度；设计基本地震加速度0.10g；设计地震分组为第一组；场地类别Ⅱ类；水平地震影响系数最大值αmax=0.08；特征周期Tg=0.35 s。

2 地基基础

各土层力学指标见表1。

表1 土层力学指标

本工程基础采用钻孔灌注桩，桩径分为φ600 mm和φ800 mm两种，自承台底面算起有效桩长约28 m。桩端持力层为第⑨层或第⑩层粉质黏土层，桩端全截面进入持力层不小于2.5倍桩径。φ600 mm和φ800 mm桩单桩承载力特征值分别为2 250 kN和2 900 kN。

桩基承台间设置双向基础拉梁，基础拉梁截面300 mm×700 mm,300 mm×800 mm，单桩承台厚度1 m，多桩承台厚度1.5 m，承台及基础梁顶面标高为-1.500 m。

3 下部混凝土结构

下部混凝土结构外轮廓平面近似圆形，南北长约为225 m，东西宽约为215 m，看台顶标高为10.483 m～27.740 m。其中，东西看台地上3层，为两层不连续看台；南北看台地上2层，为一层半看台。首层观众平台层高6.3 m，2层层高4.5 m，3层层高随看台顶标高变化。利用看台建筑四周对称分布的楼电梯间、设备管井均匀布置剪力墙，形成框架-剪力墙结构体系，为上部钢屋盖提供可靠支承。下部混凝土结构主要柱网尺寸约7 m～11 m，主要结构布置及截面如下：

1)框架柱截面尺寸见表2。

表2 框架柱截面尺寸

2)框架梁及次梁：框架梁截面为400 mm×700 mm,400 mm×800 mm和400 mm×900 mm；局部钢结构下支座托梁截面600 mm×1 200 mm；观众疏散楼梯梯柱托梁600 mm×1 000 mm；次梁主要截面300 mm×700 mm和300 mm×800 mm；看台斜梁截面500 mm×900 mm,600 mm×900 mm和600 mm×1 000 mm，看台密肋梁截面180 mm×600 mm,180 mm×700 mm。

3)楼层板厚120 mm，2层平台室外区域板厚140 mm，看台前端挑板厚度150 mm，斜看台板厚度100 mm。

4)剪力墙厚度均为400 mm。下部混凝土结构模型三维图见图3。

本工程混凝土结构外轮廓全长近700 m，整个平台范围内主体结构未设永久缝，属超长混凝土结构。设计中采取了以下措施来减小混凝土收缩和温度应力的不利影响：1)根据《混凝土结构设计规范》[5]的规定，沿看台环向、径向每隔30 m～40 m设一道伸缩后浇带。2)混凝土中应掺一定量的粉煤灰和高效减水剂。3)基础底板及承台利用混凝土60 d强度代替28 d强度进行配合比设计，减少水泥用量。4)粗骨料采用连续级配，细骨料采用中砂，控制粗、细骨料的含泥量。5)严格控制后浇带封闭时间，后浇带浇筑气温在15 ℃左右。6)适当掺入膨胀纤维抗裂防水剂，其膨胀成分可补偿混凝土的收缩，纤维则可有效提高混凝土的抗裂能力。7)看台等超长部位混凝土浇筑在气温相对较低时进行,施工单位应提出具体详细的施工方案，进行专项论证后，方可施工。8)根据气象统计资料以及施工过程，并考虑混凝土材料收缩徐变特性以及基础的弹性刚度约束，根据温度作用计算分析结果，在拉应力较大的部位适当配置温度钢筋。目前本项目混凝土结构已经完工，后浇带也已合拢，现场反馈效果良好。混凝土结构现场航拍图见图4。

4 上部钢结构罩棚

混凝土看台顶部支承完整的环状花瓣造型的钢结构罩棚，覆盖大部分观众坐席。罩棚外轮廓平面为圆形，直径约270 m，罩棚宽约57.1 m，最大悬挑长度37 m，罩棚结构最高点标高48.45 m。

整个钢罩棚由18片造型相同的单元组成，以“花瓣”为母体，经过模数化处理后，每个单元包含大、小两种花瓣组。钢结构罩棚三维计算模型俯视图见图5。

4.1 大花瓣构成

每个大花瓣由径向主桁架、环桁架及桁架间单层网壳构成，其中径向主桁架采用了倒三角形组合截面，主桁架最大悬挑长度约37.6 m，桁架肩部高度8 m，前端收至2.8 m。径向主桁架之间设置了三道环桁架，分别位于径向主桁架的悬挑前端及钢结构上支座支承位置，环桁架最大跨度约31 m，最大高度约5 m。径向主桁架和环桁架之间区域采用单层网壳填充，单层网壳支承于主桁架和环桁架上弦。大花瓣结构构成见图6。

为了加强屋盖的整体刚度，在各径向主桁架及环桁架自身上弦平面设置了斜腹杆，形成有效的屋盖上弦支撑体系。

4.2 小花瓣构成

大花瓣环桁架贯通小花瓣区域，并采用单层网壳填充大花瓣径向主桁架和小花瓣环桁架围合空间，并结合建筑造型，在墙面单层网壳收口位置设置端部水平桁架拱，小花瓣单层网壳支承于径向主桁架、环桁架及桁架拱上弦。小花瓣结构构成见图7。

钢结构罩棚构件总用钢量5 815 t(包括内支座937 t)，按罩棚展开面积60 269 m2计，罩棚用钢量指标为96.5 kg/m2，考虑支座节点以及加劲肋等构造因素，钢结构实际用钢量较理论用钢量增大约15%～20%。钢结构罩棚主要杆件截面尺寸见表3。

表3 主要杆件截面尺寸 mm

5 结构分析

本工程分析采用SAP2000 V20，Etabs 18两款通用结构软件进行分析，两者计算结果较为接近。

5.1 计算模型及假定

采用上部钢结构及下部混凝土结构整体三维计算模型对本工程进行结构有限元分析，模型中梁柱采用Frame单元，楼板、混凝土剪力墙采用壳元并细分模拟；楼梯及看台斜板采用膜元，主要计算参数：

阻尼比：0.02用于上部钢结构设计，0.035用于下部混凝土结构设计。嵌固端为基础承台顶面。

悬挑桁架弦杆为刚接连续，腹杆与弦杆采用刚接、铰接包络计算，单层网壳两端刚、铰接双控计算，内支座上端与主桁架下弦铰接，内支座与柱顶、外支座与看台连接节点按铰接考虑。

整体结构三维计算模型简图见图8，模型剖面图 9。

5.2 反应谱分析

经整体分析，结构模态分布如下：

第1阶为钢结构x向振型(Tx=1.127 s)；第3阶为钢结构y向振型(Ty=1.006 s)；第8阶为钢结构竖向振型(Tz=0.646 s)；第12阶为钢结构扭转振型(Tx=0.562 s)；第23阶为整体结构x向平动主振(Tx=0.386 s)；第24阶为整体结构y向平动主振型(Ty=0.273 s) 。

主体结构前几阶均为钢结构平动及竖向振动，钢结构竖向振动频率1.54 Hz>1.0 Hz，满足要求。钢结构扭转主振型出现在第12阶，扭转周期与平动周期比Tt/Tx=0.562/1.127=0.498<0.9，满足规范要求。

结构第23阶以后为混凝土结构主振型，第23阶，第24阶分别为混凝土结构X向和Y向平动主阵型，混凝土结构无明显扭转主振型。下部混凝土结构最大层间位移角为1/1 639，满足要求。结构最小剪重比为3.16%，满足规范要求。

5.3 静力分析

钢结构在主要静力荷载组合下的应力分布如图10所示。

大部分杆件的最大应力比均受恒、活荷载以及风荷载组合控制，应力比均低于0.9，满足规范要求[6]。恒+活标准组合下罩棚前端最大竖向位移见表4。

表4 罩棚悬挑前端最大位移值

悬挑端部最大位移1/203<1/125,满足要求。钢结构竖向位移云图如图11所示。

在恒、活、风、温及小震最不利组合工况下，看台最内圈短柱配筋率0.95%～4%，最外圈柱配筋率约0.95%～1.5%，支承钢结构下支座V型柱配筋率为1.3%～2.9%，支承钢结构上支座柱配筋率为1.15%～1.5%，其他柱纵筋基本为构造配筋。

看台斜梁配筋率0.8%～1.9%，其他梁配筋率0.5%～1.7%。

混凝土结构框架柱轴压比为0.15～0.65，看台前排柱轴压比较低，其配筋主要为受弯控制。剪力墙最大轴压比0.30。

5.4 温度作用分析

在降温单工况下，2层(标高6.300 m)楼板的应力云图见图12，图13。其中,S11为径向应力，S22为环向应力。

首层楼板在降温工况下，楼板拉应力为1.0 MPa～1.5 MPa，适当加强楼板配筋即可满足温度作用的影响要求。依据许昌市气象统计资料细化整体结构温度的计算，与施工过程结合，考虑混凝土的收缩徐变效应，准确反映结构在全年温度变化下受力形态。并在施工过程中采用合理措施减小温度应力对结构的负面影响。2层、3层楼板拉应力水平较低，均在1.0 MPa以下。

降温作用下，在东西两侧筒体底部有拉应力产生，约2.5 MPa～3.0 MPa，在局部洞口边缘有应力集中，约4 MPa，通过墙肢均匀配筋可满足要求。

框架柱受温度作用影响较大，平台外圈柱和看台前端柱尤其明显。考虑温度作用时，东西侧内圈框架柱配筋率约1.0%，南北侧内圈框架柱配筋率约3.5%，平台框架柱配筋率约0.95%～1.5%。框架梁受温度影响也较为明显，配筋增大约5%～15%。

5.5 中震复核

1)中震弹性：水平地震影响系数最大值αmax=0.224，场地特征周期Tg=0.35 s。不考虑地震组合内力调整系数，材料强度取设计值，考虑承载力抗震调整系数γRE，考虑双向水平地震作用及偶然偏心影响。

2)中震不屈服：水平地震影响系数最大值αmax=0.224，场地特征周期Tg=0.35 s。不考虑地震组合内力调整系数(即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数)，取1.0。各项作用分项系数取1.0，不计抗震承载力调整系数，材料强度取标准值。

经复核钢结构杆件均满足中震弹性要求。中震弹性工况下，钢结构下支座V型柱配筋率略有增大，增至3.4%，南北看台钢结构上支座配筋率增大至1.73%。

中震不屈服工况下，东西看台最内侧柱配筋率增加至2.59%～3.28%，较恒、活、风、温及小震组合工况下有较大增大，其他柱中震不屈服工况配筋率未增加。

5.6 非线性屈曲分析

本项目对钢结构进行了整体非线性屈曲稳定分析。

结构达到稳定性极限承载力时，对应的竖向基底总反力FZ=1 241 379 kN。静力计算中在恒荷载和活荷载标准值作用下，基底总反力为139 203 kN，结构稳定性极限承载力临界系数K=1 241 379/139 203=8.91>4.2，满足规程要求[7]。计算结果见图14。

6 节点设计

钢结构罩棚上支座混凝土柱均采用型钢混凝土柱，柱直径1 200 mm，内置十字钢骨。看台斜梁及环梁与此处相交位置钢筋与钢骨的关系较为复杂，典型节点做法见图15。

罩棚上支座四根支座杆件交汇，交汇处相贯节点焊接较为困难，局部采用铸钢节点，铸钢件材质为G20Mn5QT，做法见图16～图18。

7 结语

经过上述分析，本项目很好的实现了既定的结构性能目标，经济性也控制在合理水平，建筑效果得到了很好的实现。目前本项目混凝土结构已经全部封顶，钢结构加工已经部分完成,望这篇文章可供类似项目借鉴参考。