金华市体育中心“一场两馆”结构设计

丁子文, 余祖国, 赵国兴, 张 杰, 徐晓红, 阚建忠, 高博青,2, 干 钢,3

(1 浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大学 建筑工程学院，杭州 310028；3 浙江大学平衡建筑研究中心，杭州 310028)

1 工程概况

金华市体育中心坐落于浙江省金华市南部,湖海塘以南、二环路以北地段,是第19届亚运会比赛场馆(图1),与金华亚运分村相距约7.4km,体育馆将承办亚运会藤球比赛,体育场则承办足球赛事小组赛。项目总用地面积261 051m2,总建筑面积98 183m2,包括一个30 130座体育场、一个5 987座体育馆和一个1 616座游泳馆［1］。建筑方案呼应建设单位对经济性、实用性和标志性的要求,以富有尺度感和张力的混凝土V形柱与跃动的弧形金属屋面相互映衬、刚柔并济,体现了建筑结构力学与美学的统一。

图1 金华市体育中心实景鸟瞰图

金华市体育中心“一场两馆”均以显露的混凝土V形柱作为上部大跨屋盖(罩棚)的主要竖向支承构件,其中体育馆、游泳馆为双肢V形柱,体育场为四肢V形柱。因游泳馆结构形式与体育馆类似且体量比体育馆小,限于篇幅,本文主要阐述体育馆和体育场。体育馆(图2)呈鹅蛋形平面,平面长约169m,宽约121m,建筑高度26.7m,地上二层(无地下室),二层面标高5.3m,看台台阶层最高标高15.2m。体育场(图3)为椭圆形平面,东西向长约295.8m,南北向长约296.5m,建筑高度46.1m(图4),地上三层(无地下室),二层面标高6.0m,三层面标高9.5m,看台台阶层最高标高22.0m。场馆的混凝土承重构件外露,既展现了体育建筑的力量之美,又节省了外立面装饰和后期维护成本,实践了绿色低碳的设计理念。

图2 体育馆日景

图3 体育场夜景

图4 体育场看台剖面

2 结构体系和布置

2.1 结构难点

V形柱贯穿于三个场馆的形体塑造,结构设计之初也曾考虑过采用等截面斜柱+装饰外包的形式,但不符合建筑师表达结构显露的力量感和精神气质。采用全现浇混凝土V形柱,其尺度和质感均能满足建筑方案效果,但给设计和施工带来了不小的难度。本项目体育场馆均为超长结构,尤其是体育场,直径接近300m,温度作用效应明显,超长结构温度应力的分析和处理措施是需要重点研究的内容。屋盖均为大跨结构,其中体育场罩棚最大跨度约263.8m,体育馆屋盖最大跨度约151m,均为大跨屋盖建筑［2］。大跨屋盖的结构选型和关键节点的分析与设计成为最核心的内容。

2.2 结构方案

体育馆由平台层、看台层和钢结构屋盖组成。根据建筑平面功能布局和外立面效果,单体建筑不设缝。下部结构采用混凝土框架结构,屋盖采用双曲面双层钢网壳［3］,周边支承,平面尺寸约151m×102m。体育场由平台层、看台层和钢结构罩棚组成。体育场为半敞开(露天)结构,且平面尺寸比体育馆大很多,下部混凝土结构通常要考虑是否设置伸缩缝及设缝带来的影响,国内也有中、大型体育场下部混凝土结构不设缝的案例,但采取的技术措施成本代价通常都较大,且实际使用过程中仍较难避免有害裂缝的产生。在满足建筑使用功能、确保主要外立面效果的前提下,以控制工程造价为准绳,体育场下部混凝土结构考虑设置4道伸缩缝(图5),缝的位置选在最边跨V形柱(月牙形罩棚落地前的最后支承点)外侧,这样对建筑外立面影响最小,同时也使得钢结构罩棚与单个混凝土结构单元相对应。

体育场看台设缝后形成典型的扇形平面,分为东、西、南、北四个区,东、西区最大直线长度约140m,南、北区最大直线长度约200m。体育场东、西两侧看台上方对称设置两个月牙形罩棚,单个罩棚南北向长263.8m,东西向宽54m。罩棚采用双层钢网壳,网壳在看台内侧多点支承于混凝土V形柱顶,看台外侧上方采用封边管桁架形成落地拱,拱脚处设置混凝土支墩。

体育馆首层(平台层以下)外围承重柱为方形截面1 500×1 500,其上为双肢变截面V形柱(柱根截面750×1 500)。双肢V形柱沿建筑外轮廓布置,斜柱顶部相交,形成W形外立面。V形柱最低处柱顶标高14.1m,最高处柱顶标高22.8m。柱顶设置一道大环梁,环梁内设置无粘结预应力钢筋,网架屋盖支座位于环梁上方。体育场首层(平台层以下)外围承重柱为梯形截面2 000×1 400/2 000,其上为四肢V形柱(柱根截面1 000×1 400),其中内侧两肢为等截面,外侧两肢为变截面,沿建筑外轮廓布置,斜柱顶部两两相交,形成抽空倒棱锥体外立面。V形柱最低处柱顶标高17.8m,最高处柱顶标高28.7m,内侧两肢支承看台斜梁,外侧两肢支承钢结构罩棚。双肢V形柱、四肢V形柱的外侧两肢截面尺寸随高度变化,上大下小,图6为体育场V形柱轴测图(1/4局部),体育馆与之类似。

图6 体育场V形柱轴测图

2.3 基础选型

根据金华地区地质特征和场地岩土工程勘察报告,考虑到主体结构跨度大、荷载分布不均匀,浅层黏性土层不能满足设计要求,基础采用大直径机械冲抓成孔扩底灌注桩,桩端持力层为中等风化泥质粉砂岩。桩全断面进入持力层不小于1m,基岩埋深较浅,最小有效桩长不小于6m。支承大跨屋盖的双肢和四肢V形柱下大柱子的基础采用四桩承台,以保证主要承重柱下基础抗倾覆能力,其余框架柱采用一柱一桩,充分利用基岩的承载力。体育馆基础平面布置见图7。体育场罩棚落地拱处局部开挖小地下室,设置箱形基础以抵抗桁架拱产生的巨大水平推力。

图7 体育馆基础平面布置图

3 超长混凝土结构应力分析

3.1 温度作用取值

超长结构合拢后,温度变化和混凝土收缩会对混凝土结构产生较大的应力。根据金华市当地气候条件,选择伸缩后浇带封闭时的环境温度在14～18℃,金华地区最冷月月平均最低气温为3℃,最热月月平均最高气温为36℃。伸缩后浇带在60d后封闭,此时混凝土收缩的50%已完成［4-5］,后期收缩当量温差取抵抗0.15‰混凝土收缩值折算的附加降温温差为10℃。升温温差=最高使用温度-(最低初始温度-收缩当量温差)=36-(14-10)=32℃。降温温差=(最高初始温度+收缩当量温差)-最低使用温度=(18+10)-3=25℃。对于室外混凝土结构,可直接取计算温差为+32℃,-25℃。对于室内混凝土结构,考虑最高使用温度和最低使用温度折减,可取计算温差为+24℃,-20℃。通常升温工况不会对混凝土楼板产生拉应力,后续分析仅针对降温工况。

3.2 体育馆超长混凝土结构应力分析

体育馆整体不设缝,为环形超长结构,取降温温差-20℃(室内)和-25℃(室外)进行计算,考虑钢筋混凝土初始刚度折减系数0.85［6］,采用PMSAP程序进行温度应力有限元分析,得到体育馆二层楼板的温度应力等值线分布图,进行了外廊设缝与不设缝情况下温度应力对比分析(图8)。由图8(a)可以看出,外廊不设缝时,楼板最大拉应力发生在内环内侧、洞口角部,框架柱周围楼板受约束处拉应力也较大;外廊区域均出现拉应力较大区域,约3～4MPa。;室内部分最大拉应力出现在内环曲率最大处,最大名义拉应力4.8MPa。由图8(b)可以看出,外廊设分叉缝时,开口处外围大框架柱约束处出现局部应力集中现象,峰值应力达6.6MPa,但范围较小、衰减很快;外廊区域拉应力(约2～3MPa)比不设缝时明显减小;内环内侧、洞口角部的拉应力分布规律与不设缝时接近,室内部分最大名义拉应力4.6MPa,相对不设缝时略有降低。弹性分析得到的温度作用下楼板名义应力尚应考虑徐变应力松弛系数0.3,外廊设缝情况下,楼板折算最大值拉应力约为1.38MPa。

图8 体育馆二层外廊设缝前后温度应力云图对比/kPa

3.3 体育场超长混凝土结构应力分析

体育场通过在四个运动员入口(即最边跨V形柱外侧)处设置双柱形成四道变形缝,将其分解为四个扇形区段,南、北区段最大直线长度仍有200m。取降温温差-25℃进行计算,考虑钢筋混凝土初始刚度折减系数0.85,采用PMSAP程序进行温度应力有限元分析,得到体育场二层楼板的温度应力云图(图9)。由图9可以看出,楼板最大拉应力发生在框架柱周围、洞口角部,但应力衰减较快,内弧中段的拉应力水平较高。体育场二层楼板温度应力分布规律可概括为,外弧区域应力由中间向两头逐渐增大,内弧区域应力由中间向两端逐渐减小。弹性分析得到的温度作用下楼板的名义应力最大值约为8.2MPa,考虑徐变应力松弛系数0.3,楼板折算最大值拉应力约为2.46MPa。300m直径看台不设缝情况下的楼板折算最大值拉应力约为3.53MPa。考虑建筑效果、工程造价和实施难度之间的平衡,设置四道伸缩缝是较为合适的。

图9 体育场二层看台温度应力云图/kPa

3.4 超长混凝土结构防裂处理措施

由于结构平面超长,且当地位于夏热冬冷地区、季节温度变化较大,为了减小混凝土温度收缩应力的不利影响,主要采取了以下措施:

(1)设置多道施工后浇带,严格控制伸缩后浇带封闭时间,合理选择后浇带入模环境温度。伸缩后浇带在60d后封闭,混凝土收缩的50%可完成,解决了早期收缩的问题。在合适的温度封闭后浇带,减少温差(主要是温降),从而降低结构在使用阶段的温度应力。

(2)根据计算分析布置温度钢筋,楼板配筋采用细而密的形式,加强平面凹口、角部、大洞口边、V形柱根区域的板配筋,加强环向梁的通长钢筋配置。

(3)体育馆除二层外廊(室外平台)外均为室内结构,温度收缩应力总体可控,通过二层外廊每隔50～60m设置分叉型伸缩缝的形式,使拉应力较大值分布区域明显减少。

(4)体育场超长混凝土结构温度应力较大,在看台环向框架梁内设置无粘结预应力筋,同时对露天看台板和环向次梁隔跨设置U形诱导槽(图10),引导收缩裂缝集中发生在指定区域,使看台梁板温度应力发生重分布并降低拉应力水平。

图10 U形诱导槽节点及布置

(5)采用补偿收缩混凝土,选用低水化热水泥、严格控制水灰比,采取降低原材料温度、减少商品混凝土运输时吸收外界热量等措施控制入模温度。室外平台(其下无房间)结构板面也设置保温层,降低辐射引起的构件表面温差。

4 体育场馆大跨屋盖结构设计

4.1 体育馆钢屋盖分析与设计

体育馆屋盖轮廓呈鹅蛋形,平面尺寸151.3m×102.2m。结合建筑使用空间,利用比赛馆和练习馆间一排柱升至屋顶,柱顶框架梁作为网壳屋盖的支座,以尽可能减小结构跨度,两侧分别采用不同的网格布置及网壳高度,使结构更加经济合理。比赛馆上方大网壳跨度为102.2m,网壳高度为3.52m,高跨比约1/30。体育馆屋盖结构形式为双曲面双层钢网壳,多点支承,节点采用螺栓球节点及焊接球节点,支座形式为平板支座,考虑施工期间静荷载下的水平力释放。

将体育馆钢屋盖与下部混凝土结构整体建模分析(图11),采用PMSAP和MIDAS软件进行计算对比,主要计算指标均满足要求,本文不再赘述。钢屋盖采用空间网格结构分析设计软件MST进行计算分析和辅助设计,主要荷载标准值如下:1)屋面恒载上弦0.35kN/m2,下弦0.5kN/m2,网壳中心最内两圈16个下弦节点预留斗型屏吊挂荷载200kN;2)雪压取0.65kN/m2,风压取0.4kN/m2,均按100年重现期;3)计算温差取±25℃,结构合拢及支座固定时的环境温度控制在(20±3)℃。

图11 体育馆总装模型

采用MST软件对网壳进行满应力优化设计,钢材选用Q345B,杆件控制应力比0.85,比赛馆上方网壳计算最大竖向位移为344mm,小于L/250(L/250=409mm,L为网壳短向跨度),满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)［3］的要求。体育馆钢屋盖平面为类椭圆形,网壳根部的径向水平推力引起支座处环向受拉,V形混凝土柱顶环梁为拉弯构件,为抵抗环向拉力并控制超长结构有害裂缝,在环梁内设置了无粘结预应力钢筋。

4.2 体育场罩棚分析与设计

体育场罩棚的水平投影为月牙形,共有两个,在东、西两侧看台上方对称布置,采用曲面双层钢网壳结构。单个网壳长跨方向263.8m,短跨方向44.5m,结构最高点43.4m。网壳在看台内侧支承于V形柱顶,在看台外侧挑空,根据建筑造型和结构支承条件,采用多点支承与前端封边桁架拱相结合的形式,前端大拱和落地处局部采用管桁架,其余为螺栓球节点和焊接球节点,拱脚落地处设置四个混凝土支墩。

钢网壳采用MST软件进行计算分析和辅助设计,主要荷载标准值:1)屋面恒载取0.4kN/m2,其中玻璃悬挑部分和采光天窗取0.8kN/m2;2)雪压、风压同体育馆,风荷载体型系数根据广东省建筑科学研究院提供的《浙江金华体育场风洞动态测压试验报告》取值,风向角间隔为15°(0°～360°),每一个风向角作为一个工况,共24个工况;4)温度差取±35℃,结构合拢及支座固定时的环境温度控制在(20±3)℃。

采用MST软件对网壳进行满应力优化设计,钢材选用Q345B,杆件控制应力比0.8,计算最大竖向位移为283mm,大于l/125(262mm)(l为网壳的悬挑跨度),安装时需要起拱,最大起拱量为100mm,起拱量分布与重力荷载作用下的变形方向相反(图12)。利用MIDAS Gen软件进行了整体稳定性分析,荷载工况为“1.0恒荷载+1.0满跨雪荷载”和“1.0恒荷载+1.0半跨雪荷载”两种典型工况,先进性特征值屈曲分析,再将第1阶屈曲模态作为初始几何缺陷导入到计算模型,进行几何非线性屈曲分析,得到第一临界点处的极限承载能力系数均大于7,说明网壳具有较高的极限承载力,满足稳定性验算要求［7］。

图12 体育场罩棚变形云图/mm

采用ANSYS软件进行管桁架节点有限元分析发现,管桁架相贯节点存在应力集中现象,采用主管局部加套管的方法可以减少相贯节点处的应力集中现象,典型套管壁厚10mm,长度800mm,用钢量增加较少(增加约4.2%),既能确保安全又经济合理。

4.3 主要结构材料用量指标

体育场馆不仅平面超长,而且屋盖通常采用大跨钢结构［8-9］,在满足结构承载力、变形、稳定性的前提下,合理的用钢量是设计的重要控制指标。本项目通过精细化设计进行用钢量指标控制,初步设计与施工图设计用钢量对比见表1(用钢量不含檩条、马道等附属构件,面积按网壳展开面积计算),施工图相比初步设计用钢量优化约5%～8%。

表1 初步设计与施工图设计用钢量对比/(kg/m2)

5 专项设计分析

5.1 看台温度诱导槽分析

体育场超长结构应力分析结果表明,降温工况下看台中段的拉应力水平较高。借鉴热力管道几字形伸缩节的工作原理,对看台梁板设置诱导槽进行有限元分析,研究降温工况下梁、板结构构件中的拉应力及其分布规律,并与不设诱导槽的相同结构单元的分析结果作对比,结果见图13。在看台结构径向隔跨布置诱导槽,以柱位处双主梁的形式将看台板和次梁沿环向均匀地分解为若干个独立的温度区段,各区段的环向宽度不超20m。设置诱导槽后,楼板和次梁“断开”,框架梁连续,根据应力分析结果,位于环向框架梁之间的大部分看台区域内,看台板及次梁内的温度应力分布均匀且数值减小,环向框架梁及相邻板内温度应力未减小但分布集中。故可采用抗与放相结合的策略,仅在看台环向框架梁内施加预应力,而看台板只需适当提高拉通钢筋的配筋率即可。

图13 诱导槽设置前后温度应力对比图/MPa

5.2 V形柱设计与施工

体育场及体育馆、游泳馆的外围受力构件均由多个连续V形柱组成。V形柱作为关键承重构件,其重要性不言而喻。设计采用PMSAP整体模型(杆单元模拟梁、柱)进行构件计算和配筋,并采用MIDAS软件进行实体单元有限元分析,得到双肢V形柱的应力状况(图14),对应力较大的节点区域予以加强。由于V形柱沿建筑外立面高矮变化,其内力分布特点主要表现为高肢柱底弯矩较大,矮肢柱底剪力较大。在V形柱的施工过程中,由于节点区域的钢筋数量较多,施工难度很大,为了保证施工质量,设计通过空间建模的方式,确定了每一根钢筋的空间坐标及插筋角度(图15)。通过设计与施工的密切配合,成功解决了V形柱浇筑成型的4个难题:三维测量放线问题、高大模板支撑问题、节点区钢筋绑扎问题和节点区混凝土浇筑问题［10］。施工完成后观感质量较好,外露结构表面仅涂刷一层混凝土保护剂,不再进行其他装饰涂刷,展现出了混凝土的原形与原色,既经济又环保。

图14 双肢V形柱有限元应力分析云图/MPa

图15 四肢V形柱钢筋三维放样图

5.3 体育场罩棚大拱基础设计

体育场罩棚前端大拱水平投影长度达263.8m,在满布雪荷载作用时,拱脚产生了巨大的水平推力,在极端风荷载作用时,风吸作用将产生上拔力。得益于金华地区良好的地质条件,场地基岩埋深较浅,为拱脚基础创造了有利条件,在大拱落地处设置了箱形基础,每榀拱设置两个,共四个基础支墩(图16)。基础平面形状为矩形带切角,分6个腔体,侧壁布置方向与大拱推力方向一致,壁厚1m。基础底板厚1.5m,底板从侧壁挑出3m。基础以中等风化泥质粉砂岩为持力层,基岩表面凿毛以增加摩擦力,基底进入持力层深度不小于1.5m。基坑肥槽内回填毛石混凝土至室外地面以下0.3m,确保基础与基坑侧壁传力,同时也增加了基础配重,侧推传力路径为罩棚→桁架拱→箱形支墩→基岩。

图16 混凝土箱形支墩平面及剖面布置

6 结论

(1)金华市体育中心的结构方案契合了建筑外立面造型,结构融合于建筑,将轻盈的大跨拱形钢屋盖与厚重的混凝土V形柱有机结合,展现了体育建筑的力量与韵律之美。

(2)体育场馆结构单元平面形状通常为环形或扇形,其超长混凝土结构应力分析研究结果表明,楼板温度应力分布规律与常规矩形平面存在显著差异,表现为曲率和竖向构件约束的影响。对环形平面,最大拉应力出现在曲率较大的内环的中部。对扇形平面,外弧区域拉应力由中间向两头逐渐增大,内弧区域拉应力由中间向两端逐渐减小,内弧中段的拉应力值普遍较高。

(3)体育馆环形超长结构整体不设缝,在温度作用影响较大的外廊每隔50～60m设置分叉型伸缩缝,对建筑外立面几乎不产生影响,但能有效降低混凝土收缩和温度应力的不利影响。不仅使外廊区域的温度应力得以释放,而且内环处最大拉应力也有所降低。

(4)体育场看台扇形超长结构温度应力较大,采取了抗与放相结合、以放为主的策略,在看台环向框架梁内设置无粘结预应力筋,同时对看台板和环向次梁隔跨设置U形诱导槽,能显著减小楼板温度应力,并引导裂缝发生在指定区域,将离散性问题转化为确定性问题,通过特殊防水构造措施保证建筑正常使用功能不受影响。

(5)利用周边V形柱顶环梁及比赛馆和练习馆间柱顶框架梁作为体育馆网壳屋盖的支座,以尽可能减小结构跨度,两侧分别采用不同的网格布置及网壳高度,使结构更加经济合理。体育场罩棚管桁架节点受力复杂,采用“套管法”对主管局部加强,改善节点区应力分部,兼顾了安全和造价的平衡。

(6)双肢和四肢V形柱下大柱子的基础采用四桩承台,确保了大跨屋盖承重柱下基础抗倾覆能力,其余框架柱则采用一柱一桩的大直径扩底桩,充分利用基岩的承载力。体育场罩棚前端大拱支墩承受巨大的水平推力,箱形基础提供支座刚度,育场罩棚前端大拱支墩承受巨大的水平推力,箱形基础提供支座刚度,通过箱形基础底板下布置岩石锚杆,基岩表面凿毛+底板底部做台阶,底板外挑上压毛石混凝土等综合措施,增强基础抗滑移和抗倾覆能力。