南海区体育中心结构设计*

2022-11-10廖旭钊劳智源罗赤宇王俊杰李恺平赖鸿立石开荣

建筑结构 2022年21期

廖旭钊，劳智源，罗赤宇，谭和，王俊杰，李恺平，赖鸿立，石开荣

(1 广东省建筑设计研究院有限公司，广州 510010；2 华南理工大学土木与交通学院，广州 510641)

1 工程概况

南海区体育中心位于广东省佛山市南海区博爱中路南侧，项目由体育场、体育馆、游泳馆和全民健身综合馆、体校及其配套组成，总建筑面积36.1万m2(图1)。体育场、游泳馆座位数分别为2万座、600座。项目超限部分为体育场和游泳馆。

本工程主体结构主要由体育场看台、游泳馆及罩棚组成，建筑面积4.87万m2(图2)。罩棚平面近似鱼钩状(图3)，东西向宽220m，南北向宽375m；檐口高度为24.45～37.26m。下部体育场混凝土看台、游泳馆东西向宽230m、南北向宽355m，属于平面不规则的超长结构。体育场混凝土看台共四层，层高分别为6、4.8、3.5、7.6m。游泳馆混凝土结构共三层，层高均为4.5m。钢结构屋盖支承于混凝土结构上。

主看台两侧各设一道结构缝，从北往南依次分成游泳馆段、主看台段、南看台段(图3)。为利用弧形屋盖的空间效应和满足建筑美观要求，罩棚不分缝，以V形柱、三叉柱支承于下部结构上。

本工程结构设计使用年限为50年，结构安全等级为一级。抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。由于罩棚不分缝，屋盖结构区段下方的座位容量达2.06万座，根据《体育建筑设计规范》(JGJ 31—2003)[1]规模分级及《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008[2]的规定，本工程属于中型体育场，且结构区段的座位容量超过5 000座，其抗震设防类别确定为重点设防类，抗震措施提高一度按8度考虑。

体育场看台及游泳馆采用了设少量剪力墙的钢筋混凝土框架-剪力墙结构，框架、剪力墙的抗震等级分别为二级、一级；罩棚屋盖采用交叉平面钢桁架结构，抗震等级为三级；地基基础设计等级为甲级；建筑防火分类为一类，耐火等级为一级。

2 结构体系

2.1 体育场罩棚结构选型和设计

体育场罩棚平面近似鱼钩状，展开长度约为540m，宽18～60m，平均长宽比约为14。为保证罩棚结构的整体刚度，采用了交叉桁架的结构形式，交叉桁架采用钢管平面桁架。交叉桁架体系可构成三角形网格，既可保证其平面内刚度，更有利于保证双曲屋面造型的顺滑度(图4)。罩棚结构的最大悬挑长度为30m，径向最大跨度39m，桁架高度为3.5～1.0m。V形柱的支座间距约为40m，三叉柱的支座间距约为18m。本工程悬挑、跨越的问题均较常规，设计难点主要在于结构超长。

2.2 体育场罩棚整体抗侧力体系

体育场罩棚平面复杂造型独特，大开口不封闭，各剖面如图5所示(剖切位置见图6，箭头指向为荷载传力路径)，主看台段尽管内、外两圈支承柱构成双支点(图5中B-B剖面)，似乎可以抵抗竖向力和水平力，实际上在水平力作用下，屋盖跟随内圈三叉柱绕其下支座转动，而外圈V形柱与三叉柱形心线基本平行，不能提供屋盖转动切线方向的有效水平约束，在水平力和不平衡竖向力作用下，屋盖均会发生明显的翻转(取两个开间建模计算，在恒载+活载+风荷载作用下，场内侧悬臂端挠度和水平位移分别达0.51、0.15m，挠跨比和层间位移角

分别为1/64、1/80)。另一方面，东、南看台段为27m高的三叉独立柱，且屋盖偏置，向场内悬挑达26m(图5中A-A剖面)。在特殊造型屋盖结构高耸、平面超长的情况下，常规设计一般会设置专门的剪力墙、悬臂柱等落地抗侧力构件，但同时这些抗侧力构件以承受弯矩为主，结构效率不够且建筑效果不佳，并容易陷入约束越强、温度应力越大的矛盾之中。本工程成功地利用弧形平面的造型，采用铰接的轴力构件，构造了高效的空间抗侧力体系，具体措施如下:

(1)内圈主要为三叉柱，下支座为铰接，可承受各向水平力，是罩棚结构的主要抗侧力构件。外圈主要为V形柱，上下节点为铰接，两根一组组成V形柱则可以抵抗V形柱平面方向的水平力，沿马蹄形弧形布置之后，在刚性罩棚屋盖的协同作用下，形成空间抗侧力体系，无论受到哪个方向的水平力作用，都有大致平行于该水平力方向的部分V形柱参与抵抗(图6)。

(2)体育场主看台段中部、东看台段、游泳馆段的部分三叉柱下支座错位，布置如图7所示，分别构成5个刚片：①②③、①③④、③④⑤、③⑤②、①②⑤④，组成静定的子结构(五面体)，产生空间效应，可以有效抵抗径向及环向水平力。

(3)在罩棚弯弧狭长平面端部，东看台段端部设置“翼柱”(图2、图7、图8)，由9根钢管组成3个三角形刚片，向心布置，再将刚片内角点连接在一起，形成稳定的空间结构，其横断面为Y字形，作用类似腹板，各向均具有较强的抗剪能力。

2.3 看台混凝土结构选型和设计

体育场看台和游泳馆采用现浇混凝土框架-剪力墙结构体系，如图9所示。体育场看台在首层到二层、三到五层间均有斜板，这几个楼层各向的水平刚度都很大，而二层到三层间没有斜板，存在刚度突变，形成薄弱层，为改善结构的抗震性能，于首层与二层内侧的径向和环向适度布置了剪力墙(图9)，与看台斜板联结形成整体延续到基础面，以提高水平及竖向不规则结构整体的抗震能力。

3 荷载与地震作用

3.1 楼面荷载、风荷载及地震作用

楼面荷载(附加恒载与活载)按规范与实际做法取值。风荷载及参数取值综合《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[3]、广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15-101—2014)[4]及风洞试验结果来确定。根据风洞试验单位的分析，大部分风向角的地面粗糙度类别为C类，有个别风向角为B类，因此，按规范验算时偏安全地取为B类，而风洞试验则考虑远期发展按C类进行[1-2]。模型比例为1∶200，模拟了周边环境的影响，并做了风振响应分析，得出等效静力荷载。按照试验单位推荐的数个最不利风向角，补充了抗风复核验算，对金属屋面的高风压区及风敏感区，同时按广东省《强风易发多发地区金属屋面技术规程》(DBJT 15-148—2018)[5]进行对比分析。地震作用计算的参数取值以《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[6](简称《抗规》)为依据。

3.2 温度作用

罩棚不设缝，长达375m；混凝土看台总长355m，设了两道缝后，主看台段长220m，仍属于超长结构。考虑屋面平面弯曲、高悬，不能起到完全的遮阳作用，大部分混凝土看台、V形柱和三叉柱等不同程度地受太阳辐射作用，形成复杂的温度场，需充分考虑温度作用对结构的影响[7]。因此，本工程除考虑均匀温度作用、混凝土收缩作用外，同时参照广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15-101—2014)[4]进行日照分析，得出太阳辐射下的温度荷载(图10)。

4 结构的超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[8]、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[9](简称《高规》)有关规定，本工程屋盖结构单元的长度375m，大于300m，属于结构单元长度超限的大跨屋盖建筑。

5 超限应对措施及分析结论

5.1 超限应对措施

混凝土结构抗震性能目标按照《高规》第3.11节执行，钢结构按《抗规》附录M执行。本工程为7度区的乙类建筑，属于屋盖结构单元长度超限的大跨屋盖建筑，设定其抗震性能目标为C。

在满足《抗规》要求的前提下，混凝土结构、钢结构构件依据《高规》第3.11条所列各水准的验算公式计算；具体构件抗震性能目标见表1、表2。钢结构关键构件和节点承载力计算时按《抗规》第10.2.13条进行内力放大。

对于关键节点，在满足《抗规》第10.2.13条的前提下，进行小震、中震弹性和大震不屈服设计。

5.2 结构计算与分析

5.2.1 钢结构强度及变形验算

表1 混凝土结构构件抗震性能目标

表2 钢结构构件抗震性能目标

通过非地震组合和地震组合工况下的杆件应力比计算结果可以看出:支承柱及罩棚屋盖的强度均由非地震工况组合控制，其中支承柱及与其相连钢桁架杆件的最大应力比为0.6，屋盖桁架其他杆件最大应力比为0.91；游泳馆钢结构桁架强度由大震工况组合控制，最大应力比为0.95；均满足表2中的抗震性能目标要求。

5.2.2 钢结构整体稳定分析

参考《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[10]有关条文，分别对重力荷载和风荷载下的罩棚整体稳定进行分析，考虑几何非线性及初始缺陷，按重力荷载、风荷载下的低阶屈曲模态分布，稳定安全系数k分别为9和8，均满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)要求。分析结果显示，主要是支承柱及局部桁架弦杆屈曲，罩棚整体并没有出现大范围的失稳。

5.2.3 钢结构抗连续倒塌分析

抗连续倒塌分析是动态的强非线性计算问题，根据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015)[11]第3.9条，采用拆除构件的静力验算方法在本项目中不一定能反映连续倒塌的真实情况。因此在规范静力验算法的基础上，补充非线性时程分析进行倒塌全过程模拟，逐一拆除编号1～22的构件，分组拆除编号1～3、4～6、7～9、11～12、21～22的三叉柱(图11)。分析结果表明，屋盖均处于相对稳定及安全的状态(最大应力比0.84，最大变形198mm)，说明即使屋盖所有柱脚均为铰接，结构整体仍具有较强的抗连续倒塌性能。

5.2.4 整体结构大震弹塑性时程分析

本工程结构总长度大于300m，属超限大跨空间结构，按《抗规》的要求，应作考虑行波效应的多点地震输入的分析比较，因此需对结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，一致激励分析采用SAUSAGE软件，一致激励和多点激励对比分析采用ABAQUS软件。

一顿饭吃下来，没什么值得一提的，倒是吃了饭后，戴主任一个一个地找人谈话，易非最后进去的，进去之后，他看到戴主任的脸色有些特别，他请易非坐下来之后，就直接说：

计算结果表明，结构0°、90°主方向最大层间位移角平均值分别为1/182、1/252，均小于限值1/125，其他方向结果相近，满足《高规》规定。各组地震波作用下构件的损伤顺序比较接近，框架梁首先进入屈服，随后是剪力墙和框架柱，从而形成了二道防线。罕遇地震作用下，框架梁大部分轻微至中度损伤，连梁中度至重度损伤，底层框架柱轻微至中度损伤，体现了“强柱弱梁”和“将塑性铰控制在结构底部”的抗震概念(表3、4)。

通过设置多点激励加速度时程来考虑行波效应，将多点激励计算结果与一致激励计算结果进行对比，得到构件的超载系数。框架柱的超载系数大部分为1～2，下部钢筋混凝土构件普遍是多点激励下内力大于一致激励下的，上部钢构件则相反，除在分缝处和东看台段的局部钢支撑柱轴力超载系数大于1外，大部分钢支撑柱在多点激励下的轴力均小于一致激励下的。由于东看台段下部没有混凝土结构作为行波效应传递的缓冲，因此行波效应在该段的体现更明显。

表3 混凝土构件损坏情况汇总

表4 钢构件损坏情况汇总

6 关键或特殊结构、构件设计

6.1 超长罩棚释放温度效应的措施

超长结构通常采用分缝来降低温度应力，但分缝会使结构整体性下降。如前所述，体育场看台之上的钢结构由弧形布置的内圈三叉柱、外圈V形柱及刚性屋盖组成，整体不分缝的屋盖具有很好的空间抗侧能力。为了解决抵抗水平力需要强约束、消减温度效应需要释放约束的矛盾，结构设计采取了以下措施(图12):

(1)在温度作用下，V形柱、三叉柱相当于“摇摆柱”，可朝径向(场内外方向)自由摆动，使得屋盖C形区段可以相对自由地涨大、缩小，而在各向水平力作用下，都有平行于该水平力方向布置的部分支承柱参与抵抗，对解决前述矛盾起了主要作用。

(2)V形柱上下节点采用向心关节轴承、三叉柱下支座采用球铰支座，均为理想的铰接连接，同时利用高耸支承柱的微转动，避免了温差形变产生约束弯矩。屋盖升温最大水平变形约为60mm，支承柱的转角微小，不到0.2°，完全不影响结构其他各项性能。

(3)翼柱作用类似腹板，可抗各向剪力，但不能抗扭，既提高了东看台段抗侧能力，又不会对屋盖端部在温度作用下的平面内扭转形变造成过多约束(图7)。

(4)屋盖为“剑脊状”的断面，交叉桁架高度由屋脊处的3.5～2.2m渐变至檐口处的1.0m，边缘处的面外刚度减弱到屋脊处的1/12～1/5。外圈V形柱为间断式布置，隔一布一，诱导弱化了面外刚度的屋盖边缘产生波浪式的面外变形，以释放结构温差形变(图12)。

(5)取消主看台段两侧、游泳馆侧的个别内圈三叉柱，支承柱的约束得到局部释放，以消减罩棚屋脊处的温度效应。

为了验证上述措施的有效性，对比了连续的和设了两道缝的屋盖在相同温度作用下的构件应力，90%以上构件的温度应力比差值均小于0.1，且两种做法的构件温度应力差别很小。

6.2 关键节点设计

由于罩棚平面不规则且超长，在荷载作用下，支承柱的变形也是不规则的，尤其是温度作用下，屋盖均呈现复杂的面外变形，因此，支撑柱两端铰接点的转动方向及转角极不规律，需要采用关节轴承(图13)、球铰支座(图14)来满足万向转动的性能要求。本工程的抗震球铰支座须满足抗压11 000kN、抗拔7 000kN、抗剪5 300kN的承载力需求，而国标球铰支座成品的抗剪、抗拔承载力分别是抗压的10%、25%，如果按抗拔力去选用更大规格的支座，则会造成浪费，且尺寸过大，影响美观。成品支座抗拔工况下，其铸钢组件间均为钢与钢接触，摩擦系数大，转动约束力矩也大，不能实现理想的铰接。此外，成品支座受压、拔、剪时的转动中心均不共心，甚至上下颠倒，不能实现顺滑的转动，且会导致相关杆件产生附加弯矩。

为此本工程结构设计了大抗拔力、大抗剪力、低约束力矩的万向球铰支座，且压、拔、剪转动时基本共心，约束力矩仅为国标成品的10%。运用ANSYS软件对关节轴承、球铰支座均进行了多体接触分析，结果如图15、图16所示，可以看出，仅在应力集中处的极小范围超出强度限值，整体满足强度要求。通过足尺的荷载试验，成功验证了其压剪、拉剪的承载力及约束力矩满足设计要求。