黄石奥林匹克体育中心体育场(图1)位于黄石市大冶湖核心区东区,为2018年湖北省省运会开幕式举办地和比赛场馆之一。体育场建筑面积约43 000m²,总座位数约3.2万座,中型、乙级体育场。体育场建筑平面呈圆形,直径266.3m,檐口高度36.000m,屋面最大高度51.498m,最大悬挑跨度约37m。本工程无地下室,东、西看台区均为3层,层高分别为6.0,4.45,4.75m,斜看台为2层,高度分别为6,6.71～18.910m;南、北看台区均为1层,层高为6m,斜看台为1层,高度为6m。

　　 本工程主体结构设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,抗震设防类别为乙类(重点设防类)。本工程抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组。本工程按高于本地区抗震设防烈度一度(即按7度)的要求加强其抗震措施 ^[1]。

　　 本工程主体结构分为两部分,即下部功能用房及看台部分和钢罩棚部分,下部功能用房及看台部分采用钢筋混凝土框架结构,钢罩棚部分采用折形平面交叉钢桁架+树状钢支撑结构体系,该结构体系经过公司技术委员会专家论证。设计时,取两部分单独分析结果和整体拼装分析结果的包络值进行设计 ^[2],阻尼比按结构材料类别分别取值 ^[3],混凝土结构部分为0.05,钢结构部分为0.02。

　　 体育场下部混凝土结构平面投影近似呈圆形,直径为255.8m,外侧周长为803.2m。中间区域为标准球场和赛道,开椭圆形洞,长轴长度为196.3m,短轴长度为136.2m。体育场平面尺寸大,且各看台区楼层层数相差较大,选择合理的结构设缝方案,不仅有利于减小温度作用对结构产生的复杂内力,也有利于改善结构的抗震性能,节省结构材料用量。首先通过设置永久缝(伸缩缝兼防震缝),把体育场周边的平台、通道、室外楼梯分割开来,保证体育场的独立性和规则性。其次对体育场进行多种设缝方案的比选,对其中的两种方案(图2)进行计算比较。1)方案一,在体育场一楼的通往内场的四个主出入口处设置4条永久缝,将体育场分为4个结构单元,见图2(a);2)方案二,体育场不设置永久缝,整体体育场下部混凝土结构为1个结构单元,见图2(b)。

　　 体育场南、北看台区为1层,东、西看台区为3层,故设缝方案对2层楼面(即南、北看台区1层屋面)以下区域影响较大,对2层楼面以上区域的影响很小。从温度作用效应和结构动力特性这两个角度,对比分析两种不同设缝方案中2层楼面板的结构性能,混凝土结构施加的温度作用为升温+16.6℃,降温-14.4℃ ^[4,5,6],具体结果见表1和图3。

　　 从温度应力角度来看:1)方案一的最大温度主拉应力为方案二的23%～33%,方案一的大部分区域温度主拉应力为方案二的24%～50%,方案一能大幅度降低温度作用效应;2)方案一的最大温度主拉应力区域为东、西、南、北看台区4个独立结构单元的中间区域靠近内场一侧,方案二的最大温度主拉应力区域为通往内场的四个主出入口处,该处为体育场内侧曲线曲率变化过渡区域,且存在4个缺口,容易导致应力集中;3)楼板最大温度主拉应力均发生在洞口或巨柱附近,属于集中应力,方案一的集中应力与一般区域应力比值为1.6～5.25,方案二为1.7～4.8。

　　 从动力特性来看,方案一中4个独立结构单元的平面均较规则,2层楼层位移比为1.19～1.24,均满足规范要求;方案二不设缝,结构单元近似呈圆形,非常规则,2层楼层位移比为1.14,其动力特性优于方案一。从对比分析结果可知,方案一可以更有效地释放结构的温度应力,且动力特性也比较好,满足规范要求;方案二动力特性优于方案一,但是结构的温度应力太高,是方案一的2～4倍。综合以上考虑,方案一为实施方案。

　　 体育场下部混凝土结构采用钢筋混凝土框架结构,楼盖为现浇钢筋混凝土梁板,看台板为预制清水混凝土板。下部混凝土结构嵌固端为基础顶面。体育场外墙外侧的柱因建筑造型要求为圆柱,其余均为矩形柱。圆柱直径为800～1 200mm;矩形柱的主要截面尺寸为600×600,800×800,1 200×1 200,1 000×(1 200～1 600),其中截面尺寸1 200×1 200的矩形柱为钢罩棚外侧支座提供支承,截面尺寸1 000×(1 200～1 600)的矩形柱为钢罩棚内侧钢斜撑支座提供支承。框架梁的主要跨度为6.9～12.4m,主要截面尺寸为300×700,400×900,(400～500)×1 000。

　　 由于下部混凝土结构和钢罩棚的轴网体系不一致,钢罩棚的大量钢斜撑支座布置在环形框架梁上,且没有规律。钢斜撑支座有较大的竖向和水平反力,仅靠该环向框架梁传递钢罩棚传来的支座反力难以实现。此处设置了钢筋混凝土空腹桁架(图4),既解决了支座反力的传递问题,同时空腹桁架属于外露结构,结构构件布置均匀、整齐,满足建筑师的美观要求。空腹桁架上弦截面为1 200×1 600,下弦截面800×1 600,腹杆截面600×600,钢罩棚支座布置在上弦。

　　 通过设置4道永久缝,把下部混凝土结构分成4个独立的结构单元,减小结构长度,释放了大部分温度应力,详见表1。设缝后,最大的结构单元为西看台区,其最大长度为206.7m,最小的结构单元为北看台区,其最大长度为154.1m,还是超出了《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(简称混规)规定的伸缩缝最大间距,属于超长结构。为了解决超长结构带来的温度及混凝土收缩问题 ^[7],设计时采取了以下措施:1)利用MIDAS/Gen等分析软件进行整体结构拼装计算分析,计算时考虑温差作用工况,得到框架梁柱的附加弯矩和剪力,以及板的附加内力,由此算出温度作用参与组合的构件配筋;2)梁板等水平构件采用补偿收缩混凝土;3)室外构件混凝土掺入聚丙烯单丝纤维(掺量为1.0kg/m³);4)在所有超长建筑物中间部分设置带宽0.8m的伸缩后浇带(间距30～40m),同时设置一定数量带宽2m的膨胀加强带(间距80～100m),使得混凝土产生一定预压应力,防止混凝土拉应力的出现和裂缝的产生;5)采用低水化热水泥。

　　 下部混凝土结构设置了4条永久缝,按照传统设计思路,上部钢罩棚结构沿下部结构缝也设置4条永久缝(即方案二),把钢罩棚分成东罩棚、西罩棚、南罩棚和北罩棚4个部分(图5(b))。但是建筑师希望保持钢罩棚的整体性(图5(a)),不建议分缝(即方案一)。为了更好地做出选择,结构师从温度作用效应、抗震性能和对下部混凝土结构的影响三个角度进行了分析比较。

　　 钢罩棚结构部分施加正温差30℃,负温差-30℃。图6显示了方案一中的整体罩棚结构在升温工况作用下的应力云图(兼温度变形图)。结果显示,在升温工况下,钢构件的温度应力为-63.0～30.5N/mm²(正值表示拉应力,负值表示压应力),周边檐口处环形桁架弦杆的温度应力最大,最大值为-63.0N/mm²(东、西看台中间区域上空);钢罩棚与树状支撑交汇处次之,最大值为30.5N/mm²(东、西看台中间区域上空);立面桁架支座处又次之,最大值为18.9N/mm²(东、西看台中间区域附近),其余大部分杆件的温度应力在±10N/mm²内,树状支撑以外的悬挑部分杆件温度应力在±5 N/mm²内。

　　 分析原因如下:1)由于钢罩棚内部开椭圆形大洞口,在升温工况下,悬挑部分的钢桁架可以自由向上和向外变形,故其温度应力得到了释放,所以温度应力最小,但其温度变形最大,最大变形为58mm;2)钢罩棚屋面桁架与树状支撑交汇处、钢罩棚立面桁架支座处,由于受到支座的约束,变形受限,所以温度应力比较大,但是在支座处没有形成环形桁架,此处杆件可以沿环向发生较大变形,故温度应力不是最大的;3)周边檐口处的环形桁架,两侧分别受到树状支撑和立面桁架支座的约束,尤其是东、西看台中点上空附近,树状支撑的支座高度较大,与钢罩棚距离比较近,能提供更大的约束力,故此处的温度应力最大,弦杆最大温度应力为-63N/mm²。

　　 降温工况下钢构件的温度应力在-27.4～59.4N/mm²范围内,温度应力分布情况同升温工况。

　　 图7显示了方案二中的东罩棚和北罩棚结构在升温工况下的应力云图(兼温度变形图)。结果显示,在升温工况下,钢构件的温度应力为-44.5～25.0N/mm²,温度应力分布情况同方案一中的整体钢罩棚结构,只是数值减小了15%～26%,这是因为周边檐口处环形桁架以及悬挑端部环形桁架分了4道缝,断开的环形桁架可以沿环向变形,释放了部分温度作用。降温工况下钢构件的温度应力为-22.2～40.9N/mm²,温度应力分布情况同升温工况。

　　 从温度作用效应来看,方案二优于方案一,但是作用有限,温度效应仅减小了15%～26%。

　　 表2给出了整体罩棚、东罩棚和北罩棚结构的前6阶振型的周期。图8～10分别给出了整体罩棚、东罩棚和北罩棚结构的前4阶振型。从结果可以看出:

　　 1)前4阶振型中,钢罩棚振动非常明显,下部混凝土结构几乎看不出在振动,说明钢罩棚抗侧刚度远低于下部混凝土结构。2)从前几阶振型可以看出,钢罩棚的振型主要由其悬挑区域的“n倍半波状”振动和整体侧向或扭转振动组合而成。3)从第1阶周期来看,东罩棚与整体罩棚比较接近,前者略小于后者,但两者均远小于北罩棚。说明北罩棚的

　　 刚度明显弱于东罩棚,方案二在地震、风等作用下,结构缝两侧的相对变形较大,结构缝的处理难度加大,对建筑造型有较大影响。方案一中,结构未分缝,体量大、刚度大的东、西罩棚将对南、北罩棚进行支援,所以其整体刚度略小于设缝后的东罩棚,明显大于设缝后的北罩棚。4)从振型和扭转位移比(详见表3)来看,北罩棚扭转最厉害,其次是东罩棚,整体罩棚因结构布置呈对称性,扭转最小。从抗震性能角度看,方案一明显优于方案二。

　　 钢罩棚通过支座与下部混凝土结构连接在一起,支座反力大小是反映钢罩棚对下部混凝土结构影响的一个直观指标。表4给出了具有代表性的3个支座的反力数值,具体位置详见图11,其中支座A靠近永久缝,支座C位于东看台中间最高点处,支座B位于两种支座之间,代表一般支座。结果显示:

　　 (1)风荷载是控制性荷载,方案二(钢罩棚分缝)中,支座水平反力比方案一普遍增加26%～32%;支座竖向反力在靠近分缝的位置,增加幅度最大,约50%,远离分缝位置后,竖向反力变化幅度变小,约10%,有增大,也有减小。这是因为方案一(钢罩棚没有分缝)通过内外两圈环形桁架(外周边檐口处和内周边悬挑端部),形成整体空间结构,共同抵抗风荷载,所以支座反力要小很多。

　　 (2)升温工况下,方案二(钢罩棚分缝)中,支座反力并没有比方案一减小,反而在靠近分缝的位置,高出250%～150%。这说明分缝后,在温度工况下,虽然钢罩棚本身构件的温度应力减小了,但下部混凝土结构的支座反力明显增大,不利于下部混凝土结构。

　　 (3)地震工况作用下,方案二(钢罩棚分缝)中,结构刚度不均匀,扭转明显,越靠近分缝位置,对下部混凝土结构的反力越大,比方案一增加约56%。

　　 (4)恒载、活载工况下,两个方案的大部分支座反力差不多,只有靠近分缝位置的支座A的竖向反力有较大区别,这是因为在两种分缝方案中该支座的受荷面积不同。

　　 从对下部混凝土结构影响的角度看,方案一明显优于方案二。综合上述几个方面的因素,方案一,除了钢罩棚构件温度应力小幅增加外,抗震性能、对下部混凝土结构的影响都明显优于方案二。故方案一为实施方案。

　　 钢罩棚(图12～16)由建筑屋面及立面组成,其平面投影呈圆形,直径266.3m,中间开椭圆洞。建筑屋面及立面由48片空间折形花瓣组成,花瓣与花瓣之间的空间为凹凸造型。钢罩棚结构体系为折形平面交叉钢桁架+树状钢支撑结构体系 ^[8]。结构上,为每片叶子配一个单元式平面交叉桁架,单元式平面交叉桁架外侧直接支承在2层混凝土结构上,内侧通过斜撑或树状支撑支承在看台结构的顶端,最大悬挑跨度约37m。为减少对建筑造型的影响,仅在外侧屋檐和内侧屋面洞口周边设置两道环形桁架,使得48个单元式平面交叉桁架形成整体空间受力模型,共同抵抗风荷载、地震作用等水平力。

　　 平面交叉桁架杆件截面为ϕ76×4～ϕ351×20,斜撑截面为ϕ400×20～ϕ750×30。钢罩棚用钢量约为78kg/m²(按展开面积统计)。

　　 钢罩棚南北区树状支撑下部采用四管柱截面,一定高度后开始分叉为四个独立圆管斜撑。树状支撑分叉节点采用铸钢节点。具体详见图17～19。树状支撑的安装顺序为:1)将4根钢管与竖向板焊接组成四管柱;2)然后将铸钢节点焊接到四管柱顶端;3)最后将顶部斜柱杆件焊到铸钢节点上。

　　 钢罩棚东西看台区斜撑与钢罩棚屋面桁架交接处的杆件数量多达12根,部分采用焊接球节点(焊接球直径≤700mm的情况),部分采用铸钢节点(焊接球直径≥700mm的情况),详见图20。斜撑与混凝土看台支座连接时,大部分采用半球形焊接节点;少部分斜撑截面尺寸比较大,若仍然采用半球形焊接节点,则半球直径偏大,影响座位数量,且不美观,这类节点也采用铸钢节点,详见图21。

　　 (1)从温度作用效应和动力特性两个方面,对体育场下部钢筋混凝土主体结构是否分缝进行了分析比选。分缝方案可以显著释放下部混凝土结构的温度应力,动力特性虽然比未分缝结构稍微差点,但是也较好,满足规范要求。故对体育场下部混凝土结构而言,分缝方案是理想方案。

　　 (2)通过设置钢筋混凝土空腹桁架传递钢罩棚支座传来的水平力,该结构传力路径明确,传力效率高,且为外露结构,结构构件布置均匀、整齐、美观。

　　 (3)从温度作用效应、动力特性和对下部混凝土主体结构的影响这三个方面,对体育场罩棚钢结构是否分缝进行了分析比选。不分缝方案,除了钢罩棚构件温度应力小幅增加外,抗震性能、对下部混凝土结构的影响都明显优于分缝方案。故对体育场罩棚钢结构而言,整体方案(即不分缝方案)是理想方案。

　　 (4)介绍了钢罩棚的结构体系、主要构件尺寸和复杂节点构造及其有限元分析结果。