本工程位于成都市龙泉驿区,为4万座甲级体育场,是2021年第31届世界大学生运动会开闭幕式场馆。建筑方案以“飞碟”造型表达具有科技感和运动感的成都大运形象,同时太阳神鸟是中国巴蜀遗产文化标志,屋顶材料以玻璃作为太阳神鸟图案的载体,展现体育场传统与现代、科技与文化的双重属性。体育场建筑效果图见图1。

　　 体育场无地下室,地上局部5层,钢结构屋面最大高度49.85m,混凝土看台最高点高度22.4m,看台层平面图见图2,典型剖面见图3。为满足使用功能和建筑美观要求,体育场主体结构不设伸缩缝。为使结构更趋规则,并减小超长结构温度应力,在7m标高处将体育场主体与室外大楼梯设缝脱开,脱开后的平面尺寸为311.5m×318.7m,如图4所示。体育场主体呈近似圆形,7m标高以上主体结构平面尺寸为252.3m×245.9m。工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值0.10g,设计地震分组为三组,场地类别Ⅱ类,场地特征周期0.45s。体育场主体结构属于重点设防类,按7度地震作用,8度抗震措施进行设计。

　　 本工程基础采用机械成孔灌注桩 ^[1],桩端持力层为中风化砂岩,饱和单轴抗压强度标准值f_rk=3.8MPa。通过单桩静载试验,ϕ1 000单桩竖向抗压承载力特征值为7 000kN,单桩竖向抗拔承载力特征值为1 520kN,单桩水平承载力特征值为179kN; ϕ800单桩竖向抗压承载力特征值为4 500kN,单桩水平承载力特征值为76kN。桩身混凝土强度等级C35,配筋率0.48%～0.97%,有抗拔需求的桩按计算配置纵筋。

　　 本工程无地下室,结构在风荷载、地震作用下产生的柱脚剪力由桩基承担。核心筒、X形支撑以及极短柱由于刚度大、层数少,竖向轴力小、水平剪力大,桩基由抗剪控制。因为弯矩较大,墙下桩基按抗拔桩和抗压桩两种情况设计; 北区立面单层网格因屋盖桁架悬挑45m产生较大拉力传至柱脚,故该区域桩基按抗拔桩设计。

　　 框架结构抗震防线单一,且遭遇地震后大多数破坏的构件是柱,设置钢筋混凝土剪力墙可为框架结构增加多道抗震防线,减少柱的损坏。因此,设计利用楼、电梯间和设备管井设置剪力墙形成少墙框架结构 ^[2]。墙体均与框架梁柱相连成为带边框剪力墙,地震作用下允许剪力墙破坏,起到第一道防线作用,但应保证边框柱有足够的竖向承载能力。由于圆形平面的结构抗扭刚度小,因此剪力墙沿建筑平面环向布置。结构三维计算模型见图5。

　　 结构设计通过对建筑功能、构造做法、结构受力等方面的分析比较,将建筑南侧通向29m标高观景平台的四个楼、电梯竖向交通体设计为钢筋混凝土筒体,并将桁架下弦杆与混凝土墙连为一体,较好地解决了筒体、楼盖及桁架三者间的连接构造(图6～8)。筒体承受屋盖钢桁架传来的水平力,该水平力导致墙体底部出现较大拉应力,在墙体端柱设置型钢以抵抗拉力并提高结构的延性,见图8。

　　 看台尾部混凝土结构之上设置的44根屋盖钢桁架支承柱是关键构件。各支承柱顶部长度约为6～21m。如图9所示,为改善各支承柱刚度差异,以猫洞为界,右侧较长柱直径采用1.3m,左侧较短柱直径采用1.2m。通过进行整体模型支承柱的屈曲分析,计算支承柱的临界荷载值,根据欧拉临界力公式P_cr=π²EI/(μL)²得到支承柱计算长度系数,详见表1。

　　 除西侧主席台以及看台尾部的异形看台区采用现浇以外,其余看台区均采用预制看台板 ^[3]。楼盖整体性是框剪结构水平力传递的基本保证,因此,预制看台板与主体结构梁的连接构造是设计重点,除了传递竖向力,还应保证水平力能有效传递,同时满足电气防雷接地技术要求。本工程预制看台板与看台梁连接构造(图10)采用销栓和钢连接件焊接形式,既满足了结构受力要求,同时也满足了电气防雷接地要求。合适的看台板缝尺寸设计能保证清水混凝土看台板施工、装饰和防水效果,板缝尺寸主要依据看台板极限温差变形量、制作安装施工偏差、板缝防水构造、防水材料变形性能等因素确定。本工程看台板之间缝宽度20mm,缝间用ϕ30聚乙烯圆棒和防水密封胶封堵,同时在看台梁中留设导水槽,可将因防水材料缺陷导致的局部漏水通过沟槽有组织排放,从而确保看台防水效果。

　　 体育场屋盖平面为圆形,投影直径295m,屋面最大高度49.85m,罩棚的悬挑长度45m。屋盖结构形式为悬挑平面桁架+立面单层交叉网格 ^[4],上部钢结构组成示意及施工中的屋盖见图11,12。覆盖材料玻璃在内环区印有太阳图案、外环区印有神鸟图案,屋面桁架节间划分与建筑图案匹配。罩棚结构由44榀主桁架和44榀次桁架构成。主桁架由看台尾部的柱支承,次桁架由柱间设置的环向转换桁架支承。所有悬挑桁架悬挑端高度2.5m,支座处高度13.31m。罩棚共设置三道包括内环的环向桁架,为屋盖提供环向刚度以保证其整体性,并减小桁架杆件的面外计算长度。为满足建筑立面效果,采用88组交叉圆管构成立面弧形单层交叉网格,该立面网格不仅为屋盖及平台提供外环多点支承,还提供结构抗侧刚度,如图11(e),13所示。立面网格采用成品铸钢固定铰支座支承于7m平台的框架柱或框架梁上。立面单层交叉网格杆件的面外计算长度系数μ,根据整体模型屈曲分析计算的临界荷载通过欧拉公式反算得到,为1.18,计算时μ取1.2。所有屋盖结构构件均与建筑弧度吻合,最大程度减少了屋面覆盖材料的支托构件,并且桁架下弦均预留了用于吊顶和安装设备管道的连接件,避免结构出现在受力状态下施焊的情况。

　　 在建筑东、西侧的16m标高层各设置约165m长、20m宽的低区观景平台(图11(f)),平台跨度约20m,平台一端支承于立面弧形单层交叉网格上,另一端支承在混凝土主体结构上,平台由H型钢梁上铺钢筋桁架楼承板构成; 在建筑南区29m标高层利用桁架高度的空间设置约300m长、25m宽的高区观景平台,平台跨度约10m,支承于桁架下弦杆上,同样设置H型钢梁上铺钢筋桁架楼承板。见图14～16。

　　 楼、屋面活荷载按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取值。

　　 1)附加恒载:罩棚悬挑桁架上弦(玻璃)1.0kN/m²、桁架下弦膜材及连接件0.2kN/m²、桁架下弦膜材水平张拉力1.0kN/m; 平衡段桁架上弦(金属屋面+装饰格栅)1.3kN/m²; 平衡段吊顶含设备管道0.8kN/m²; 立面幕墙体系及连接件1.0kN/m²; 马道、灯桥3.0kN/m。2)活荷载:钢屋盖0.5kN/m²; 天沟3.2kN/m; 马道3.5kN/m。3)演艺荷载(作为某种工况验算):威亚吊挂点竖向10kN,水平向65kN,隔2～3m设置一个吊点。4)风荷载:基本风压按100年重现期取值w₀=0.35kN/m²,地面粗糙度B类,风振系数和体型系数根据风洞试验结果取值; 屋面较不利风向角出现在50°,140°,230°,320°附近。

　　 1)成都市基本气温为-1～34℃,极端气温-6.7～39.3℃。考虑室内使用环境温度10～30℃,29m标高观景平台室内区域使用环境温度5～35℃。混凝土结构合拢温度5～20℃,钢结构合拢温度10～20℃。2)结构设计温度:室内环境的混凝土结构升温25℃、降温-10℃; 29m标高观景平台区域钢结构升温25℃、降温-15℃; 室外环境的混凝土结构升温29℃、降温-21℃; 室外环境的钢结构升温30℃、降温-26.7℃。

　　 建立屋盖钢结构和主体混凝土结构总装计算模型,采用PMSAP,MIDAS Gen,SAP2000,SAUSAGE 2018等软件进行多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下的结构抗震性能分析。结构首层框架承担倾覆力矩比例为63.9%(X向),61%(Y向),首层框架柱承担的地震剪力比例为52.5%(X向)和52.6%(Y向),符合少墙框架的受力特征 ^[6]。在多遇地震下,结构剪重比为6.76%(X向)和7.07%(Y向),最大层间位移角为1/4 999(X向)和1/5 545(Y向),扭转最大位移比1.18(X向,对应的层间位移角为1/5 235)和1.19(Y向,对应的层间位移角1/5 625),柱最大轴压比为0.62,剪力墙最大轴压比为0.27,其余整体指标如楼层刚度比、楼层受剪承载力比等均满足规范要求。

　　 在罕遇地震作用下大部分框架梁均发生塑性破坏,部分剪力墙发生中度损伤,部分看台短柱发生轻度损伤,其余柱均完好,支承屋盖的柱处于弹性状态,达到了预期性能目标。对于看台短柱采取设置芯柱、型钢等措施来提高延性。采用框架模型及少墙框架模型的计算结果进行结构包络设计,框架模型的层间位移角、框架抗震等级和轴压比均满足框架结构的要求。

　　 由于主体结构超长,进行了考虑行波效应和多维地震动的多点多维地震响应分析。分析表明,上部悬挑桁架超载系数大于1.0的杆件极少; 对于底层框架柱,其杆件轴力、弯矩行波效应超载系数均为1.0～1.3,弯矩行波系数大的构件主要位于结构单元端部,据此,设计对结构两端区域的框架柱配筋进行适当加强。

　　 钢屋盖三维空间分析模型见图17。

　　 根据建筑重要性及结构体系,确定构件重要性层次及性能目标。屋盖结构分为关键构件(支座附近杆件)、重要构件(桁架弦杆)、一般构件。静力计算结果表明,各部分关键构件应力比均小于0.75,重要构件应力比均小于0.85,一般构件应力比均小于0.9,满足性能目标要求。包络工况下,屋盖桁架结构竖向挠跨比为1/199,小于1/125,结构刚度满足要求,见表2。主要截面如下:悬挑桁架弦杆:ϕ273×12,ϕ325×18,ϕ402×18,ϕ450×22,ϕ500×25; 悬挑桁架腹杆:ϕ159×10,ϕ203×12,ϕ299×14; 环向转换桁架:ϕ450×16,ϕ560×25; 立面交叉网格杆件:ϕ800×45～ϕ600×35。

　　 采用通用有限元软件ANSYS进行了1.0恒载+1.0活载、1.0恒载+1.0半活载(东侧半圆)、1.0恒载+1.0半活载(南侧半圆)三种荷载工况下,同时考虑初始几何缺陷(取值L/300,L为悬挑长度)及材料非线性影响的极限承载力分析 ^[7],计算得到极限承载力系数为3.79,大于2(规范限值),满足要求,如图18所示。

　　 由动力特性分析结果(图19)可见,该屋盖结构的自振周期密集,低阶振型主要以屋盖水平向振动为主,非扭转。选用两组天然波及一组人工波进行竖向地震主控下的地震时程分析,在罕遇地震作用下,关键构件最大应力比0.853,小于1.00(弹性),发生于转换桁架上弦杆,其余杆件应力比均<1.0,满足设定的性能目标。

　　 设计对所有典型节点均做了实体有限元分析,其中关键节点如图20所示。节点1为立面交叉网格与29m标高观景平台的连接节点,该节点杆件相交多且杆件间夹角小,焊接制作困难,故采用铸钢节点;节点2为29m标高观景平台下弦矩形管与桁架腹杆相交节点; 节点3为29m标高观景平台区域的主桁架支座节点; 节点4为主桁架支座竖向腹杆与上弦杆相交节点; 节点5为次桁架与转换桁架下弦杆相交节点; 节点6为次桁架与转换桁架中弦杆相交节点; 节点7为次桁架与转换桁架上弦杆相交节点; 节点9为16m标高处立面弧形圆管交叉处节点。

　　 采用ABAQUS建立三维实体模型进行节点弹塑性分析,选取各杆件分别达到最大拉(压)力、最大弯矩、最大剪力所对应的荷载组合进行节点分析。几个关键节点的分析结果见图21～24。节点3在1倍荷载下最大应力不超过290MPa(不计局部应力集中),屈服承载力约为3.4倍设计荷载; 节点8在1倍荷载下最大应力不超过290MPa(不计局部应力集中),屈服承载力约为2.1倍设计荷载。

　　 体育场16m和29m标高观景平台均为钢梁+钢筋桁架楼承板的大跨度楼盖。16m标高观景平台布置单向梁(跨度约20m),其竖向第一阶振型频率f=3.01Hz; 29m标高楼盖主梁为钢桁架下弦杆(跨度约22.0m),其竖向第一阶振型频率f=3.52Hz,均满足规范要求。根据IABSE提供的荷载进行人行激励时程分析,人群激励区域选择第一阶竖向振动振幅最大区域,楼板峰值加速度结果见表3,均小于规范限值0.15m/s²,楼盖舒适度满足要求。

　　 体育场作为重要的人群聚集地,有必要对钢结构屋盖及其支承结构进行抗连续倒塌分析 ^[8]。应用MIDAS Gen对结构进行瞬态动力分析,采用拆除杆件法分别拆除屋盖不同位置处支承柱及桁架杆件,分析屋盖的破坏情况。拆除屋盖主桁架弦杆后的应力及位移情况如图25所示。振动停止后节点竖向位移为13.7mm,相邻上弦杆最大应力89MPa,小于钢材的屈服强度。当拆除1根支承柱后,屋盖通过附近斜腹杆和弦杆将力传递给周边支承柱,形成新的传力路径,靠近拆除支承柱的两根水平转换桁架腹杆应力为196MPa,其余屋盖构件应力小于160MPa,相邻框架柱承载力比为0.35,均处于弹性状态。分析其原因,转换桁架为13m高的三角形桁架,拆除支承柱后,转换桁架跨度由20m增大为40m,此时,跨高比也仅为3左右,仍具有良好的跨越能力。故钢屋盖及支承结构应力及位移变化较小,具有较强的抗连续倒塌能力。

　　 本工程平面尺寸较大,混凝土收缩徐变 ^[9]以及温度变化造成的结构应力较大,有必要进行超长结构的温度应力分析。采用MIDAS Gen计算楼板温度应力,12.1m标高、16m标高(支承柱以内)、22.4m标高及29m标高层楼板95%以上的区域温度应力均小于混凝土的抗拉强度2.20MPa; 16m标高观景平台(支承柱以外)的钢筋桁架楼承板温度应力约2.81MPa,采用加强配筋的方式抵抗温度作用; 7m标高平台最大主应力约3.63MPa,超过混凝土轴心抗拉强度标准值较多,沿环向布置预应力筋1Uϕ^s15.2@300,通过施加预压应力阻止其楼板开裂 ^[10]。

　　 (1)主体结构采用钢筋混凝土少墙框架结构,为结构增加了抗震多道防线,减少了柱的损坏。剪力墙沿建筑平面外环布置,增加了结构的抗扭刚度。

　　 (2)屋盖罩棚采用平面桁架,立面采用单层交叉网格结构,实现了轻盈美观的建筑效果。利用桁架下弦作为支承梁,在29m标高层设置约300m长、25m宽的高区观景平台,同样在16m标高层设置约165m长、20m宽的低区观景平台,两个观景平台的竖向支承均为立面单层交叉网格。

　　 (3)对屋盖钢结构按不同部位的杆件受力重要性划分为关键构件、重要构件和一般构件,并分别确定在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下构件的性能目标和应力比限值,计算分析表明,构件均能满足预期目标。

　　 (4)除异形看台区外,看台板均采用预制构件。预制看台板与现浇梁之间采用销栓和钢连接件焊接等连接形式,保证了楼盖基本的整体性,有利于水平力的传递,同时满足了电气防雷接地要求。看台梁中留设导水槽,可保证看台的防水效果。

　　 (5)通过对各类钢结构节点的精细化分析,完善了节点构造,优化杆件截面,保证了结构安全且利于施工操作。