汕头亚青会场馆项目(一期)主体结构设计*

2022-11-10张艳辉兰春光戴朋森李文生林全攀

建筑结构 2022年21期

谭坚，区彤，张艳辉，兰春光，戴朋森，杨新，李文生，林全攀

(1 广东省建筑设计研究院有限公司，广州 510010；2 北京市建筑工程研究院有限公司，北京 100039)

1 工程概况

汕头亚青会场馆项目位于广东省汕头市澄海区东海岸大道，一期项目总建筑面积约14万m2，包括：一座2.2万人体育场，建筑面积约4万m2；一座8 000人体育馆，建筑面积约3.4万m2；一座会议中心，建筑面积约1.8万m2；一座训练场，建筑面积约1.8万m2；架空平台等建筑面积约3万m2[1]。图1为汕头亚青会场馆项目实景。

体育场整体外轮廓尺寸约298.6m×220.1m，总高度39.10 m，内部设置2条伸缩缝(兼防震缝作用)将结构分割成2个较为规则的结构单元；体育馆平面呈椭圆形，整体外轮廓尺寸约223.3m×123.6m，总高度29.0 m，内部不设缝，与体育场交接位置设置一道伸缩缝。会议中心整体外轮廓尺寸约206.5m×57.1m，总高度22.3 m，内部不设缝，与体育场交接位置设置一道伸缩缝。室外训练场(停车场)整体外轮廓尺寸约200.0m×96.0m，总高度6.2m，内部不设缝。图2为汕头亚青会场馆项目下部混凝土分缝情况。

整个屋面钢结构分为3个结构单元，体育场与体育馆交接位置设置一道结构缝，体育场与会议中心交接位置设置一道结构缝，覆盖住体育场、体育馆与会议中心。

体育场、体育馆属于重点设防类(乙类)，设计基准期为50年，设计使用年限为50年，耐久性下构件设计使用年限为50年。结构安全等级为一级，对持久设计和短暂设计状况，重要性系数γ0取1.1，对地震设计状况γ0取1.0，基础设计等级为甲级。

结构抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为 0.2g。场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s。属于高烈度、强台风地区，按100年重现期取风压为0.95kN/m2。

本项目结构设计的重难点有：软土地基处理和基础设计、高烈度区结构减震设计、大跨度钢结构抗风减振设计。

2 基础条件及设计

2.1 地质情况

汕头亚青会场馆项目位于汕头市澄海区东海岸新城塔岗围片区内，场地原始地貌为滨海滩涂，新近人工填海造地形成陆地，主要分布有深厚的淤泥夹砂，岩面埋深约45m，场地原状主要为空地，地势平坦，典型地质剖面如图3所示。

场地吹填料主要为淤泥，含较多粉细砂，局部夹中粗砂及黏土，填筑时间约5年，土体饱和，以流塑状为主，无法满足建筑功能及施工设备行走要求，需进行地基处理。场地临海，分布有强透水性的砂层，地下水为海水，氯离子含量高，水位变化同潮汐变化，变化幅度约2～3m，桩基处于干湿交替区，为强腐蚀性。

2.2 软土地基处理情况

场地使用功能主要有：建筑消防车道、主入口硬地广场、足球场、锤击桩桩基施工区域、施工便道、设备管线等。由于存在不同沉降、不同承载力、不同建设时序等需求，针对具体区域，分别采用了水泥搅拌桩、真空预压、堆载预压、高压旋喷桩、抛石回填砖渣、钢板桩支护，进行地基处理，具体布置范围如图4所示。各处理区域相互独立，实现了软土地基处理和桩基础施工有效衔接、同步施工。

2.2.1 施工便道抛石回填

由于场地大范围均为流塑状吹填淤泥，其他设备无法行进，前期施工便道采用抛石回填及换填的方法，回填砖渣、石渣，回填厚度约为1.5～2.0m，面层设置200mm厚的混凝土面层。在使用阶段，经反复碾压，地表有一定的沉降，及时进行补土，排水措施见文献[2]。

2.2.2 真空预压

真空预压具有处理效果较优、经济性好的优点，是《吹填土地基处理技术规范》(GB/T 51064—2015)[3]推荐的软土地基处理方法，但其缺点是耗时较长。后期建设的会议中心、广场平台、田径足球场区域，采用真空预压进行处理。

场地土为欠固结土，按6m吹填淤泥及4m淤泥计算。补充固结土工试验参数，自重下的固结沉降约为277mm，真空预压荷载下最终竖向变形量计算值为685mm，预估处理后的总沉降量约为962mm。根据监测数据，体育场累计沉降量约为950mm(堆载区)，与计算值基本一致。会议中心及广场平台累计沉降量为460～890mm，该区域后续采用桩基础并设置首层结构板，采用快速真空预压进行初步的地面硬化，持续时长3个月，日沉降及地基承载力基本满足施工荷载后，停止真空预压，开展桩基础施工作业。各分区地表沉降实测值如图5所示。

桩基础施工过程中创新地采用无砂垫层真空联合水载预压施工工艺，用土工布代替沙垫层绑扎滤管与塑料排水板接头，保证了排水系统的水疏导性及出水效率，并采用普通可降解包装带绑扎，不破坏整个真空预压系统，节约了成本，加快了工期。

体育场的真空预压区域位于位于桩基施工范围的正中央，随着体育场中部土体固结沉降，地表土体存在水平位移，堆载时长为180d，对周边桩基有影响。因此在堆载预压期间，对土体水平位移进行监测，待水平位移收敛后，再施打内圈桩基，此后由堆载引起的桩基水平位移小于5mm，满足使用要求。不同区域的真空预压深层土体测斜实测值见图6，其中次数代表不同的监测阶段。真空预压现场施工照片如图7所示。

2.2.3 高压旋喷桩

场馆区域处于施工关键线路，该区域仅需要临时地面硬化，用于桩基施工及首层板施工。考虑到真空预压工期较长，区域设置有桩基础及结构板区域，因此该区域选用格栅式高压旋喷桩进行处理。该施工设备自重轻，可在较差的场地上进行作业。旋喷桩有效桩长1.5m，桩顶预留0.5m空桩段。场地通过格栅式的旋喷桩形成硬壳层。在管桩施打完成后，尽快完成承台和首层板浇筑，减少场地软土扰动对已施工的桩基造成影响。格栅式旋喷桩典型布置方式如图8所示。

2.2.4 水泥搅拌桩

消防车道分布零散，承载力要求不高，选取水泥搅拌桩进行地基处理，该方式具有布置灵活、施工方便的优点。吹填淤泥层提供桩周摩阻力为117kN，桩身强度约为1MPa，桩身强度取61.3kN，处理后的复合地基承载力为60kPa。由于水泥搅拌桩用于场地减沉，在边界位置设置过渡段，布置间距由1 200mm过渡到2 000mm，避免出现较大的沉降差。

2.2.5 钢板桩支护

在完成主体土建施工后，开展场地管线铺设施工。由于场地室外设备管线分布广泛，如进行地基处理，造价较高，且无法处理局部，现场采用9m深拉森钢板桩支护，在施工过程由于土体流塑性强，局部坑底反拱，采用回填砖渣处理。

2.3 桩基础设计情况

由于场地承载力低，淤泥深厚，经比选后，采用锤击预应力管桩。预应力管桩采用φ500及φ600的PHC管桩，桩端持力层为中粗砂、强风化花岗岩，桩长为40～50m，平均桩长为45m，各桩型承载力如下：φ500PHC管桩竖向抗压承载力特征值为2 400kN(含300kN的负摩擦阻)；φ600PHC管桩竖向抗压承载力特征值为3 200kN(含400kN的负摩擦阻及400kN下拉力)、竖向抗拔承载力特征值为400kN；其中，大部分区域采用φ500PHC管桩，抗拔桩、体育场拱脚抗水平推力处采用φ600PHC管桩，并在首层设拉梁。

针对强腐蚀性的地质情况，采用耐腐蚀性管桩，并在桩身及接头等部位涂刷沥青涂层，并对焊缝厚度预留腐蚀余量，焊接腐蚀裕量在5mm以上。

补充进行整体桩基抗水平力验算，满足中震下的基底剪力要求。管桩在软土中施工时应特别注意桩偏位问题，参考文献[4-5]主要采取了固化桩顶的高压旋喷桩和对称开挖的措施，管桩的偏移量满足规范限值100mm的要求。经检测和静载试验，管桩满足规范限值10mm的要求。

3 结构设计

3.1 体育场结构设计

体育场结构形式为混凝土框架+屈曲约束支撑+屋盖钢桁架结构。体育场下部混凝土通过两道结构分缝，分为左单元和右单元。左单元外圈长度约350m，右单元外圈长度约390m，钢结构屋盖单元的长度控制在300m以内，并结合建筑功能设缝。左单元和右单元均布置屈曲约束支撑BRB[6-8]，见图9～11。左单元地上五层，局部两层，右单元地上四层。主要的框架梁截面为400×800、500×1 100、800×1 100，框架梁最大跨度20m，采用缓粘结预应力混凝土梁。典型框架柱截面800×800、1 000×1 000、φ800；支撑钢结构屋盖混凝土斜柱800×1 500。规则看台区域采用预制看台，局部异形看台区域采用现浇。

屋盖钢结构采用悬挑桁架结构形式。体育场钢结构采用“倒三角桁架+拱桁架”的形式，由钢柱(含9根拉索柱)、巨型拱桁架、径向悬臂钢桁架等组成，结构为双曲造型，悬臂最长达36.5m，最大跨度为118m(巨型拱桁架跨度)，杆件截面φ1 000×35，总用钢量约7 000t。

体育场钢结构屋盖拱脚水平推力包络设计值达到6 200kN，为减少水平推力对管桩的影响，利用首层结构预应力楼板拉住两个拱脚，拱脚连线区域的首层结构板配置双层双向缓粘结预应力筋Hφs15.2@500，板带最窄处宽度5.5m，设置区域如图12所示，推力和预应力达到自平衡效果。

3.2 体育馆结构设计

体育馆采用混凝土框架+屈曲约束支撑+屋盖钢桁架结构。下部混凝土不设缝，地上五层，局部两层。主要的框架梁截面为400×800、600×800、800×1 000，框架梁最大跨度20m，采用缓粘结预应力混凝土梁。典型框架柱截面为800×800、1 000×1 000、φ1 000；看台部分，规则看台采用预制看台，局部异形区域采用现浇。体育馆典型剖面、体育场屋盖钢结构轴测图及BRB布置分别如图13、14和15所示。

屋盖钢结构中央区采用单层网壳形式，周边采用桁架形式。体育馆屋盖跨度为94.1m，建筑长度为226.7m，由斜三角环桁架+箱形单层网壳+平面桁架桁架组成，杆件截面达φ1 000×30，总用钢量达3 800t。

4 抗震设计分析

4.1 屈曲约束支撑(BRB)布置方案

体育场采用屈曲约束支撑(BRB)的消能减震设计，BRB的设计原则为小震作用下为弹性支撑并提供结构抗侧刚度，中震作用下进入屈服，充分发挥耗能减震作用[9]，BRB宜布置在地震作用下产生较大支撑内力的部位，即月牙斜看台角部；宜沿结构两个主轴方向分别设置，即沿着径向轴网、环形轴网设置。经试算比选，BRB各层布置如图16所示。BRB屈曲芯板为低屈服钢材Q160LY，支撑连接板为Q355B，相关设计参数见表1。

表1 BRB相关设计参数

4.2 多遇地震作用分析

根据设计目标，多遇地震作用下BRB处于弹性阶段，不进入屈服，为结构提供抗侧刚度，因此BRB按刚度等效原则，以箱形截面钢支撑进行建模计算，且不考虑附加阻尼作用，因而考虑上部屋盖钢结构的附加阻尼作用，综合阻尼比取0.035[10]。

采用弹性时程分析对体育场进行多遇地震作用下的补充验算，考虑三向地震作用，水平主方向加速度峰值取70cm/s2，主方向、次方向与竖直方向的加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例调整，按设防烈度8度(0.20g)、Ⅲ类场地选取地震波，选用2条人工波和5条天然波。经计算，每条时程曲线均满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[11]要求。弹性时程分析结果与振型分解反应谱法(CQC)结果基本吻合，施工图按各层弹性时程分析平均值与CQC结果进行包络设计。

经计算，小震作用下BRB1的包络设计值为625kN，小于弹性承载力设计值1 100kN，BRB2的包络设计值为862kN，小于弹性承载力设计值1 400kN。

4.3 罕遇地震作用分析

采用MIDAS/Gen进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，考察结构在罕遇地震作用下的抗震性能[12]。考虑三向地震作用，主方向加速度峰值取400cm/s2，主方向、次方向与竖直方向的加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例调整，阻尼比为0.05。选取人工波1、天然波1(CHiCHi)、天然波2(Mammothlakes)进行计算。

4.3.1 塑性铰设置

塑性铰的设置主要根据各构件的受力特点，具体做法如下：混凝土柱设置了PMM铰(柱纵筋暂按1.6%配筋率输入)；混凝土梁应力比高的主梁两端设置MM铰(按最小配筋率输入梁配筋)；屋面钢构件及钢支撑设置PMM铰，BRB设置P铰。结构构件的评价从构件的塑性变形与塑性变形限值的大小关系、关键部位构件的塑性变形等方面进行分析，以塑性铰的状态来描述构件的破坏状态[8-9]，混凝土结构采用MIDAS默认的塑性铰级别，钢构件塑性铰级别与破坏极限状态定性描述见表2。

表2 塑性铰级别与破坏极限状态定性描述对应关系

4.3.2 整体计算结果

MIDAS计算结构总质量为168 768t，体育场结构在三向地震作用下的弹塑性分析结果如表3所示，每项均给出各主方向的三向计算结果。由表可知，大震作用下基底剪力为4～6倍小震基地剪力，均能满足规范要求，且最大层间位移角均小于1/50。

表3 弹塑性分析结果

4.3.3 结构塑性铰分布及发展规律

体育场结构在人工波1的X向作用下的地震响应最大，列出其塑性损伤情况。由屋盖钢构件P铰状态(图17)可以看到，屋盖钢结构在大震作用下只有少部分进入Level2(轻微损伤)，说明结构具有良好的抗震性能。从图18、19可以看到，大部分混凝土构件出现轻微损伤，个别构件出现中度损伤，且支撑钢屋盖混凝土柱只出现轻微损伤，施工图设计通过增强配筋以提高其抗弯能力。

4.3.4 BRB及支撑屋盖柱抗震性能评价

从图20可以看出，BRB出铰率达80%，说明BRB出铰充分，减震效果明显，满足设计要求。从图21可以看出，BRB进入屈服耗能阶段，最大内力为1 528kN，大于屈服承载力1 500kN，小于极限承载力2 400kN。罕遇地震作用下，结构振型阻尼耗能占比为74.9%，BRB阻尼耗能占比为25.1%，说明BRB起到了较好的耗能效果。从图22可以看出，支撑柱最大柱顶水平位移为70mm，最大层间位移角为1/86。由于整个结构大震下损伤不大，故整体抗侧刚度没有多大降低。