某体育中心结构设计

2023-08-09刘雪兵

广东土木与建筑 2023年7期

刘雪兵，区彤

（广东省建筑设计研究院有限公司广州 510370）

1 工程概况

位于佛山市顺德区某体育中心项目用地狭长，建筑呈长方形布局；其中综合体育场（20 000 座）体量较大，按场地正南北向要求布置于地块东侧；其余综合体育馆（12 000座）、训练馆（2 000座）、游泳馆（2 000座及附属设施）等单体沿用地长边由东向西、从高到低依次展开布置。

各个体育场馆通过自地面而起的绿化屋顶整合成有机统一的整体性地景建筑（见图1）。在北侧布置了商业配套功能，满足日常运营需要。体育中心总建筑面积234 458 m2，项目定位为集体育竞技、健身休闲、商业娱乐、文艺演出为一体的多功能、综合性、生态型的大型体育中心。

图1 某体育中心效果Fig.1 Renderings of a Sports Center

2 结构设计相关参数

本工程抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，地震特征周期值为0.45 s，下部混凝土结构阻尼比ζ=0.05，钢结构部分结构阻尼比ζ=0.02［1］，整体计算时采用组阻尼定义不同材料阻尼比计算分析。

体育场、体育馆的抗震设防类别分为重点设防类，其余建筑物的抗震设防类别为标准设防类。

本工程风荷载按基本风压ωo=0.60 kN/m2（100 年ωo=0.70 kN/m2）取值。本工程4 个场馆屋面大跨度和自重比较轻的钢结构，属于对风荷载比较敏感建筑，屋面钢结构承载力设计时按100年基本风压取值。

根据项目所在地的气温情况，钢结构施工合拢温度拟定为25±4 ℃，施工阶段考虑-25 ℃和+55 ℃的施工温差荷载。游泳馆和综合体育场考虑±35 ℃温度作用，其余钢结构考虑±30 ℃温度作用。

3 地质条件和地基基础

3.1 地质条件

项目场地大部分为鱼塘，上部土体均为软弱土，软土平均厚度为20.65 m，下部为泥质粉砂岩。场地内无活动断裂带通过，场地基底稳定。工程建设适宜性较差，需要通过地基处理或采用桩基础后，方可进行本工程的建设。

3.2 地基基础设计

3.2.1 地下室设计

本工程在体育馆、游泳馆及商业底部设置一层地下室，建筑功能为人防地下室，地下室平面尺寸为542.6 m×183.6 m，为超长地下结构。

根据建筑功能和设备走线要求，在地下室顶板短度方向上布置3 条设备管沟，管沟面标高-2.30 m，如图2所示。地下室采用框架结构，底板采用隔水板设计，板厚500 mm；顶板采用梁板结构。

图2 地下室顶板示意图Fig.2 Schematic Diagram of Basement Roof（mm）

3.2.2 针对超长地下室采取的措施

超长地下室，解决温度应力是设计重点之一。针对这个问题主要采取以下3个方面的措施：

⑴利用现有的设备管沟，设置通长凹槽［2］，将地下室顶板分隔成长度不大于120 m 的板块，减小连续梁板的长度；同时在地下室侧壁上对应管沟部位设置温度诱导沟，以部分释放温度作用。

⑵地下室部分在结构设计中考虑温度应力的影响，进行定量计算的同时提高长方向的混凝土楼板和结构梁的配筋率，提高混凝土抗收缩能力。

⑶混凝土楼面设置间距30～50 m 的后浇带，后浇带采用微膨胀混凝土，减少施工阶段的温度收缩应力。利用膨胀混凝土的补偿收缩性能，控制结构混凝土由干缩、冷缩、化学减缩、塑性收缩等原因引起的开裂现象，控制混凝土水化硬化期间由于水泥水化过程释放的水化热所产生的温度应力和混凝土干缩应力［3］。

3.2.3 地基基础形式

根据地质勘察报告，场地淤泥分布广泛，层厚较厚。针对本场地地质特点，旋挖灌注桩对地层适宜性强，单桩承载力较高，但施工期长。PHC 管桩在经济性、施工速度、施工便捷、质量易于保证等方面具有优越性，但单桩承载力比灌注桩低一些。

综合以上两种桩型优势，对于纯地下室部分，柱轴力较小，采用D500×100 高强预应力管桩（PHC-AB桩），桩端持力层为〈4-2〉强风化或者〈4-3〉中风化泥质粉砂岩。对各场馆下部柱，柱轴力较大，采用旋挖灌注桩，桩径为D1 000～D1 800，桩端持力层为〈4-3〉中风化泥质粉砂岩。

本工程体育馆、训练馆场地中央以及结构轮廊以外地下室的结构自重（包括顶板面覆土、桩身自重）未能完全平衡地下水作用于底板的水浮力，为满足建筑物整体抗浮要求及控制底板结构配筋的经济性，不平衡部分的利用承压桩兼抗拔使用，以满足抗浮要求。

4 结构整体设计方案

本工程场地大部分为鱼塘，覆盖土层由上至下依次为：素填土、流塑～软塑淤泥质土、淤泥质粉砂、粉质黏土、泥质粉砂岩等。素土层平均厚度约2 m，为新近填土，淤泥质土层厚1.20～34.00 m，平均厚度为9.07 m。场地土软弱，大型施工机械，特别是钢结构吊装需要使用的大型吊机，难以在现有场地上行走。

场地东侧为城际铁路，南侧、西侧为河涌，北侧为市政道路，施工场地限值因素较多（见图3）。根据场地狭长、地层淤泥深厚，大型施工机械较难适应本工程的特点，综合考虑建筑效果，做到技术先进、安全适用、方便建造，优先选用索承结构体系，以尽量避免适用大型机械进行施工作业。经综合分析和比较，体育馆采用索穹顶结构体系、训练馆采用轮辐式索桁架结构、游泳馆采用单层索网结构体系。体育场因建筑造型受到场地影响，南北两侧建筑体系过于单薄，无法做成相对规则的受力形态，因此体育场采用巨型桁架+V支撑+张弦梁网格结构体系。

图3 项目用地示意图Fig.3 Schematic Diagram of Project Land

5 各体结构设计方案

5.1 体育场结构体系

体育场无地下室，由地上4层（局部5层）看台+屋盖钢结构组成。

屋面钢结构平面为近似椭圆，南北侧长度约为236.5 m，东西两侧长度约为228.5 m。最窄处为南北端的钢结构屋盖，宽度约23 m。屋面钢结构标高51.29 m，投影面积23 400 m2。

体育场主要采用框架柱来提供结构的抗侧及抗扭刚度［4］。二层及以下环向柱跨为8 m，径向主跨由里往外增大，最大约10 m；二层以上最外圈混凝土柱因建筑要求，采用隔一抽一的方式布置。柱混凝土强度C50～C35，典型框架柱截面D800，800 mm×800 mm，1 500 mm×1 200 mm。

体育场由于场地红线限制原因周边支撑体系不完整，形状不规则，因此结合建筑造型采用内圈巨型桁架+巨型格构柱支撑结构，保证结构受力，避免单臂悬挑结构。屋面钢结构传力路径为屋面檩条➝张弦网格（南北连廊）➝内（外）环桁架➝格构柱、柱脚万向支座→看台结构混凝土柱➝灌注桩基础。支座间环向框架梁最大跨度为18 m，采用预应力混凝土梁，主要截面为500 mm×800 mm，500 mm×1 000 mm，700 mm×1 500 mm。

格构柱东西两侧间距为137.38 m，南北两侧间距分别为104.9 m 和70.0 m，平面尺寸约为5.5 m×6.5 m，截面采用φ900×40（Q420GJB）。钢格构柱在二层（5.5 m）平台后采用埋入式柱脚刚接节点设计。通过16 个万向铰支座与混凝土看台连接。

内环巨型倒三角桁架，桁架高度为7～10 m，宽度为6 m；通过分布在南北两侧的8 根巨型钢格构柱支撑，为屋盖钢结构提供充分的抗侧刚度（见图4）。

图4 体育场整体模型轴侧图Fig.4 Axial Side View of Overall Model of Stadium

结合建筑造型，在东西看台顶部屋盖外侧布置结构杆件，屋面杆件、外挑造型杆件与支撑屋盖柱采用杆件相互连接，形成稳定的外环桁架。

内外圈桁架之间采用张弦网格体系进行连接，网格跨度为28～38 m，撑杆高度为3～4 m（见图5）。网格梁采用箱型1 000×400×16×20 或箱800×400×16×20 交叉布置；网格下部布置φ85 高钒拉索（预拉力1 000～1 200 kN），形成张弦网格结构体系，为大跨度网格提供足够的竖向刚度。

图5 综合体育场西看台结构单元示意图（东看台对称）Fig.5 Structural Unit Diagram of the West Stand of the Comprehensive Stadium（Symmetrical in the East Stand）

5.2 体育馆结构体系

体育馆主馆±0.000 以上结构与绿化屋面通过抗震缝分开形成独立的结构单元，体育馆内部看台与外围V撑完全分开，形成房中房。

体育馆内部看台结构不设置抗震缝。体育馆下部采用混凝土框架结构，椭圆形，平面尺寸为119 m×138 m。混凝土部分结构布置主要采用单向次梁、局部十字梁布置。

支撑屋面钢结构斜柱截面尺寸1 200 mm×2 200 mm，普通圆柱柱截面为D800。首层及二层柱混凝土强度等级C40，其他层柱强度等级C35，梁板强度等级C30。主要跨度6～8 m。

体育馆屋面钢结构采用椭圆抛物面索穹顶结构，其中支座间长轴方向的结构净跨124 m，短轴方向的结构净跨105 m，屋面钢结构投影面积10 512 m2。

结构矢高8.1 m，长向矢跨比1/15，短轴矢跨比1/13。

屋面结构从内往外布置3 圈环索（见图6）。索穹顶的布索方式第一、第二圈采用16 等分Geiger 型［5］，第三圈采用Levy 方式分叉为32 等分的形式（见图7），既避免脊索等分太密造成建筑不美观，又避免外圈檩条的跨度过大，同时从受力形式上提高索穹顶的侧向刚度且避免椭圆形长短轴环梁造成的索力不均。

图7 综合体育馆结构剖面示意图Fig.7 Structural Section of Comprehensive Gymnasium

屋面钢结构采用内外两道环梁布置，内圈环梁（箱型1 800×1 500×45×45）提供拉索绝大部分刚度，外圈环梁（箱型600×800×30×30）为屋面构件封闭环梁，两道环梁通过钢箱梁（箱型600×250×20×20）V 形布置连成一个环形平面桁架，加强了环梁的平面刚度。

抗侧力构件分为外圈V 柱和内圈8 个大V 柱，形成两道抗侧力体系；外圈环梁、首层混凝土结构与中部外圈V 撑形成一个闭合受力体系（见图7），有效地控制了整体扭转［6］；结构特征值分析结果表明，前30阶振型未出现因周圈刚度不足产生的扭转，均为环梁以内的索穹顶屋盖的竖向振型密集，符合大跨度索穹顶的振动特点。

结构整体在D+L+侧向风作用下最大水平位移为53 mm，最大位移出柱高14.44 m，相对位移比为1/276，外幕墙处相对位移比1/413，满足《钢结构设计标准：GB 50017—2017》水平侧移要求。内圈V柱φ（1 000～800）×35，外圈V柱φ（750～550）×30。索穹顶主受力索脊索采用D110～130 高钒索，环索采用φ85～120 高强密封索，斜索采用φ80～30高钒索。

5.3 训练馆结构体系

训练馆屋盖投影尺寸约为89.7 m×75.0 m，混凝土看台顶点高度为10.8 m，屋面最高点高度为25 m。

地上两层混凝土看台，结构形式为两层框架结构，主要抗侧力构件为框架柱。看台框架结构与钢屋盖周边V 形钢柱脱离分开，北侧看台结构与绿化屋面共用混凝土柱（见图8），训练馆看台规模较小且各块看台的跨度、弧度均不同，经比较分析，从工程造价上考虑，训练馆看台板采用现浇混凝土看台板。

图8 训练馆结构轴侧图Fig.8 Structural Axis Side View of Training Hall

训练馆屋盖采用轮辐式索桁架结构体系。由刚性外环梁柱、内拉环、索桁架构成［7］，属于预应力自平衡的全张力结构体系。主结构共有24 榀索桁架，从内拉环中心呈辐射状布置。

索桁架长轴直径为89 m，短轴半径为74 m，如图9 所示。标高范围为10.442～18.742 m，跨中标高为18.742 m，短向矢跨比为4.6/74=1/16.1，长向矢跨比为4.6/89=1/19.3。其中上径向索、下径向索采用密封索，环索和屋面构造索采用高矾钢索，撑杆采用圆钢管。环索共设置3 环，每一环又分为上下环；每榀索桁架之间环索断开，每一环由24 根单根拉索串联成环状。索网结构主受力索下弦索采用φ110 高强密封索，上弦索采用φ100密封索，上下环索采用φ60高钒索，屋面环索采用φ30高钒索。

图9 训练馆结构剖面Fig.9 Structural Profile of Training Hall

屋盖的支撑体系和抗侧力体系由外围V 撑和屋面环梁共同组成。外围V 撑部分支撑于首层，部分支撑于绿化斜坡屋面结构上。截面均采用梭形变截面钢柱，截面为φ500～800～500×t30，钢柱两端采用铰接设计，下端设置万向球型铰支座，有效减少上部钢结构与下部混凝土结构的相互影响。屋面受压环梁采用箱型梁，其截面为B1 000×1 500×40，钢结构材质均为Q355B。

5.4 游泳馆结构体系

游泳馆屋面钢结构采用单层马鞍形索网结构，平面为椭圆形，尺寸为114×76.5 m。索网标高范围为12.85～20.85 m，跨中标高为16.85 m。马鞍形索网短向矢跨比为1/17.75；长向矢跨比为1/27.25。

游泳馆屋盖结构基于建筑马鞍形曲线造型的设计构思经计算分析后发展起来，结构设计采用大面积的单层索网结构，屋面系统采用3 层PTFE 膜结构系统，分别为外膜、内膜以及吸音膜组成，内外膜中部形成空腔，隔绝内外温度、湿度的交换，起到遮阳、保温、隔热的作用；室内吊顶采用A 级阻燃吸音膜，满足室内效果和耐火极限要求。

马鞍形边缘支承体系为单层索网屋面成型提供了良好的条件，能够使承重索和稳定索受力均匀。游泳馆承重索方向马鞍形高差约7.650 m，为单层索网结构提供了良好的竖向刚度。

索网结构由两组曲率相反的索构成，向下凹的承重索纵索采用2φ65高强密封索（预拉力2 300 kN），索网间距为4.5 m，承受屋面恒载和向下的活载；向上凸的拉索为稳定索采用2φ45高强密封索（预拉力1 300 kN），索网间距为4.5 m，承受风荷载引起的向上的吸力［8］。

屋面钢结构的支撑体系和抗侧力体系由外围V支撑和屋面环梁共同组成［9］。屋面支撑体系为场馆外围V支撑，东侧4根V支撑于首层，西侧8根V支撑于绿化斜坡屋面结构，南北两侧V 支撑于二层混凝土结构上（见图10），截面均采用变截面钢柱，屋面环梁采用焊接矩形钢管梁。环梁、混凝土结构以及外圈V 撑形成一个闭合的马鞍形整体，有效地控制了整体扭转。