成都东安湖体育公园体育场结构设计
冯远 陈文明 周全 姚丽 吴鹏程 邓宸 向新岸 邓开国 周定松. 成都东安湖体育公园体育场结构设计[J]. 建筑结构,2020,50(19):22-29.
FENG Yuan CHEN Wenming ZHOU Quan YAO Li WU Pengcheng DENG Chen XIANG Xin′an DENG Kaiguo ZHOU Dingsong. Structural design of Chengdu Dong′an Lake Sports Park Stadium[J]. Building Structure,2020,50(19):22-29.
1 工程概况
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。
2 基础设计
本工程基础采用机械成孔灌注桩
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。
3 混凝土主体结构
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
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Pcr=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
屋盖支承柱计算长度系数 表1
杆件截面 |
杆件实际 长度/m |
数量 /个 |
反算计算 长度/m |
反算计算 长度系数 |
1 200×1 200 |
6.25 |
4 | 19.2 | 3.07 |
6.84 |
4 | 18.2 | 2.66 | |
8.31 |
4 | 19.7 | 2.37 | |
10.22 |
4 | 20.2 | 1.98 | |
13.00 |
4 | 23.8 | 1.83 | |
1 300×1 300 |
15.24 |
4 | 24.2 | 1.59 |
16.96 |
4 | 24.9 | 1.47 | |
18.62 |
4 | 25.1 | 1.35 | |
19.82 |
4 | 25.2 | 1.27 | |
21.28 |
8 | 25.3 | 1.19 |
4 屋盖钢结构
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
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。
5 主要荷载取值
[5]5]
(1)混凝土结构。
楼、屋面活荷载按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取值。
(2)钢屋盖。
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。
(3)温度荷载。
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℃。
6 计算分析
6.1 结构抗震性能分析
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
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。
6.2 钢屋盖结构性能分析
钢屋盖三维空间分析模型见图17。
6.2.1 静力性能分析
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。
屋盖结构静力作用下典型工况及包络工况竖向位移 表2
荷载工况 |
1.0恒载+ 1.0活载 |
1.0恒载+ 1.0风吸力 |
1.0恒载+ 1.0升温 |
1.0恒载+ 1.0降温 |
包络 工况 |
位移/mm |
-118 | -31 | -54 | -137 | -226 |
挠跨比 |
1/380 | 1/1 451 | 1/826 | 1/327 | 1/199 |
6.2.2 屋盖稳定性能分析
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
6.2.3 屋盖抗震性能分析
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。
6.2.4 关键节点有限元分析
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。
6.2.5 大跨度楼盖舒适度分析
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。
楼板峰值加速度/(m/s2) 表3
楼板位置 |
拥挤状态 | 基本自由 | 自由状态 |
16m标高观景平台 |
0.10 | 0.048 | 0.032 |
29m标高观景平台 |
0.007 | 0.018 | 0.021 |
6.2.6 结构抗连续倒塌分析
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
6.3 混凝土楼板温度应力分析
本工程平面尺寸较大,混凝土收缩徐变
7 结语
(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。
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