长春奥林匹克公园工程位于吉林省长春市高新技术产业开发区北区内, 游泳馆位于长春奥林匹克公园主体育场的西北角, 总建筑面积为34 000m², 总高度为34.7m, 观众坐席总数3 100座。游泳馆平面为椭圆, 长轴163m, 短轴115m, 逐层沿高度向上扩展, 总体建筑体形呈椭圆倒锥体, 屋顶为单向倾斜面, 屋顶高度为20.05～34.7m。地下一层, 地上四层, 地下一层层高6m, 地上一层～四层标准层高6m, 建筑效果图见图1。

　　 游泳馆功能主要为游泳比赛池、配套用房、商业用房等。正式比赛时可进行跳水、游泳、花样游泳等水上比赛项目, 其中跳水比赛池长25m、宽25m, 游泳比赛池长53m、宽25m, 热身池长50m、宽16m。赛后主要作为市民水上娱乐场所, 也可进行小球类等体育活动。立面造型设计中将长白“林海”概念的树状型立面与具有竖向升腾感的竖线条设计巧妙结合, 创造了一个独特且与环境融为一体的建筑形象。建筑布置图见图2, 3。

　　 整体结构平面为四心椭圆形, 竖向立面沿高度向上逐渐扩大呈倒锥形, 形成头重脚轻的态势, 使结构产生扭转和环向力, 因此控制结构扭转和增加整体性, 是本结构总体设计的关键要素。方案设计时在斜柱的环向平面内增设中心支撑, 柱顶设置了桁架梁, 改善了结构的整体性, 加强了环向刚度, 有效地控制了扭转。但由于柱子高度较高、倾斜角度大, 柱顶荷载较大, 柱顶没有有效的约束, 使得柱顶位移很难控制在位移限值范围内。

　　 结构主要设计参数为:结构的设计基准期为50年, 结构安全等级为一级, 抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 场地类别为Ⅱ类, 抗震设防类别为乙类, 设计地震分组为第一组;基本风压为0.65kN/m², 地面粗糙度为B类;由于结构跨度大, 必须考虑风振的影响, 主体结构的风振系数整体取为1.2;基本雪压为0.35kN/m², 屋面排水沟处考虑积雪分布系数2.0。

　　 依据规范要求进行了多种荷载组合下的结构体系与构件节点设计, 主要的荷载组合有:恒+活、恒+活+风、恒+活+升温、恒+活+降温、恒+活+水平或竖向地震的标准组合与设计组合。

　　 基于建筑外形特点和建筑功能, 主体结构采用钢筋混凝土框架-钢桁架屋面结构体系, 框架抗震等级为二级。大跨度屋盖中间跨度较大的部分采用倒三角立体管桁架, 周边跨度较小的采用平面管桁架, 屋面最外圈设了一道环向立体桁架, 中间沿屋面倾斜方向设置了一道水平支撑。大跨度屋盖整体模型如图4所示。

　　 其中支承大跨度屋盖的竖向直柱为钢骨混凝土柱, 且在刚度较小一侧的柱间增加了柱间支撑, 使支承柱变形、受力协调。由于倾斜的承重柱为压弯构件, 而且斜柱高度较高, 承受的弯矩较大, 按普通钢筋混凝土柱设计配筋大、自重大, 且斜柱的受力特点是弯矩从柱顶到柱底弯矩逐渐增大。根据这些特点, 斜柱设计下段为钢骨混凝土柱, 上段为矩形钢管柱, 同时提高了柱脚的抗弯能力。在斜柱顶部设置了环桁架梁, 环桁架梁对斜柱形成环箍作用, 承受较大的环向拉力, 环桁架梁和钢斜柱、钢骨斜柱的钢骨可靠连接, 确保满足能承受环向应力和变形, 满足整体向上延展的造型需要。

　　 立面外围的“林海”部分, 使其看似自然生长的树林主干和枝杈规格化、模数化、标准化是建筑结构设计的关键。采用轻型钢结构幕墙的理念, 尽量不和主体及维护玻璃幕墙有过多的交叉, 自成体系, 自成规律, 使其最大模数化、标准化, 实现经济合理。

　　 游泳馆一层平面长163～200m, 宽115～141m, 超长超宽, 整体未设永久变形缝, 设计采取设置多条施工后浇带, 以减少超长超宽混凝土梁板收缩的影响。施工图中针对超长混凝土梁板对施工提出严格要求:1) 采用水化热低的水泥;2) 采用掺加外加剂, 减少含水率;3) 加强混凝土养护等综合措施, 减少混凝土收缩。

　　 游泳馆跳塔作为游泳馆结构的一部分, 采用独立框架结构体系, 跳塔为独立矩形柱, 采用PKPM和MIDAS两种软件建立不同模型, 比较分析自振频率、周期、位移等参数, 采用MIDAS有限元法分析跳塔的自振频率, 以满足舒适度控制要求。

　　 由于主体结构采用钢筋混凝土框架-钢桁架屋面结构体系。局部为地下室, 故基础形式较为复杂, 根据吉林建筑工程学院勘测公司2011年4月提供的《长春奥林匹克公园游泳馆岩土工程勘察 (详堪) 报告》设计, 本工程采用了筏板基础、独立基础、环向条形基础, 且工程基础设计等级为乙级。筏板基础厚度为0.5m, 环向条形基础的基础梁截面有2m×2m, 1.5m×2m/1.9m, 并考虑软弱下卧层的影响。

　　 ±0.000m相对于绝对标高200.45m。条形基础、基础梁采用C30混凝土。混凝土垫层为0.1m厚C15素混凝土, 后浇带仅在环向条形基础处设置。环向条形基础的基底标高变化处位于两柱中间居中。抗浮设防水位取197.00m, 游泳池、跳水池边仅有一层地下室处对筏板基础进行了抗浮验算。

　　 由于周圈斜柱高度较高、倾斜大、柱顶荷载较大, 柱顶需要一个有效的侧向约束。若周边斜柱作为承重柱则为压弯构件, 承受较大弯矩难以满足柱顶位移限值;若周边斜柱不作为承重构件, 屋盖则出现33m大悬挑, 在建筑现有条件下, 考虑通过大跨度屋盖来对斜柱进行有效的侧向约束, 形成斜柱与大跨度屋盖耦合受力的状态。综合考虑支承大跨度屋盖的斜柱和直柱顶部支座的形式及布置以及合理的施工顺序, 实现了斜柱与大跨度屋盖耦合受力。

　　 同时, 斜柱与大跨度屋盖耦合受力后, 大跨度屋盖除了承受常规的恒载、活载、风载、地震作用外, 还要承受周边斜柱对大跨度屋盖的向外的水平力, 受力较普通的大跨度屋盖更为复杂, 要求大跨度屋盖有较高的整体性和传递水平力的能力。

　　 此外, 斜柱与大跨度屋盖耦合受力后, 斜柱的受力状态与普通的斜柱的受力状态不一致, 此时大跨度屋盖相当于斜柱的侧向支座。为了让施工过程和施工完成后斜柱和大跨度屋盖实时的受力和变形与设计意图、设计愿景和受力方式完全一致, 进行了施工模拟分析, 提出本项目受力与普通结构不一致的地方, 对施工顺序和拆模顺序提出要求, 让施工单位在编制施工方案时必须考虑结构的受力情况, 经过验算和分析结构的安全性的同时, 确定合理的施工方案。

　　 设计中对屋面与内柱顶交接节点 (ZZ1) 铰接、与外斜柱顶交接节点 (ZZ2) 刚接情况 (图5) 与常规情况屋面与下部结构均铰接做了对比, 其中较高侧20.6m处典型斜柱在不同支承条件下的内力及柱顶位移详见表1。

　　 由表1可知, 经比较ZZ1, ZZ2均铰接时, 斜柱承受的包络弯矩达到了1 584kN·m, 约为ZZ1铰接、ZZ2刚接时的3倍多, 斜柱顶位移在1.0恒+1.0活工况下达到了108.3mm, 约为ZZ1铰接、ZZ2刚接时的2倍多, 大于本项目最大限值75mm (规范规定的柱顶最大水平位移限值为斜柱高的1/100) 。其中斜柱轴力相差不大, 在计算时比较直柱所承受的轴力和剪力相差不大, 因此将斜柱与大跨度屋盖桁架连接节点设计为刚接, 支承大跨度屋盖的直柱柱顶节点设计为铰接, 可以让外围斜柱所承受的内力大幅度减小, 柱顶位移也得到有效控制。经分析将斜柱与大跨度屋盖桁架连接节点设计为刚接后, 使得斜柱和大跨度屋盖形成耦合受力的“刚架”结构, 这对有效传递柱顶剪力和弯矩是非常关键的, 同时增加了冗余度且侧移刚度也相应加大, 使得结构侧移及柱顶位移值都符合规范要求。

　　 屋面与内柱顶铰接、与外斜柱顶刚接后, 外围斜柱的弯矩分布如图6所示, ZZ1, ZZ2节点构造详见图7。从图6中可看出, 未与楼板连接的外围斜柱从柱顶到柱底弯矩逐渐增加, 在有楼板的地方斜柱的弯矩图发生突变, 与模型刚性楼板假定吻合。

　　 结构的整体性是指结构在荷载的作用下所体现出来的整体协调能力与保持整体受力能力的性能。整体性与结构的整体形状以及刚度相关度较大。为了保证大跨度屋盖的整体性, 采取了以下3个措施:1) 设置外围环桁架;2) 设置水平支撑, 传递水平荷载;3) 在支座处设置立体桁架, 有效保证结构的整体性。大跨度屋盖构造见图8。

　　 其中外围环桁架在椭圆的短向通过空间桁架与支座立体桁架连接, 在椭圆的长向通过平面桁架与支座立体桁架连接, 使得外环斜柱传递给屋盖的力, 在椭圆短向通过立体桁架传递、相互抵消, 从而使得中间受到斜柱的倾覆力矩减小到最小, 椭圆长向仅有两道立体桁架贯通, 因此中间增加了一道横向水平支撑, 协助桁架将斜柱对大跨度屋盖的水平力传递给支座, 使得中间直柱承受的水平力降到最小。

　　 施工中的“时间和路径效应”对结构施工过程中和完成时的受力状态和几何变形存在的影响, 导致很多大跨度结构垮塌情况发生, 很多高支撑、大跨度、大荷载、异形结构、空间三维整体受力结构等结构复杂的垮塌事故多数在施工过程中发生。

　　 对于工程质量来说, 施工过程控制尤为重要, 且不单单是按照设计和规范进行过程质量控制, 还应多一层对结构本身的深层次的认识, 即对受力方式、设计功能、设计意图、设计愿景完全理解, 在施工前, 针对每一分项工程、每一部位、每一构件的施工工艺详加斟酌, 明确提出应特别注意的地方, 尤其是设计施工时实时受力和变形与工程完全不一样的情况, 以下为本项目的施工顺序:首先依次建立外围斜柱、直柱以及内部框架结构, 内部框架结构和直柱达到强度后方可拆模, 外围斜柱需在大跨度钢屋盖完全安装完毕后方可拆模。其中斜柱在仅与下部结构单独计算时, 将屋盖作为荷载施加于斜柱顶, 柱顶水平位移最大为108mm, 当与大跨度屋盖一起整体计算, 采取相应措施让斜柱和大跨度屋盖耦合受力时, 柱顶水平位移最大为49.1mm。随后在斜柱顶上安装固定支座, 然后在固定支座上安装外围环桁架, 外围环桁架安装顺序为:两个安装队从体育馆最高点开始安装, 由高向低、从外围依次对称安装完成。完成外围环桁架安装后, 接着在直柱顶上安装铰支座, 随后在铰支座上安装直跨立体桁架。直跨立体桁架安装完毕后使用滑移施工方法, 依次安装平面桁架的主桁架和次桁架, 使得大跨度屋盖形成完整体系。对斜柱进行拆模, 形成斜柱与大跨度屋盖耦合受力的结构。最后进行与斜柱相连的混凝土楼板进行施工以及屋面二次结构及隐蔽工程。

　　 施工过程中将楼板的施工顺序调整到斜柱拆模后, 并未影响整体工期, 也就是混凝土浇筑可与屋面工程同时进行, 而且外围斜柱拆模后更加方便混凝土罐车进入场地内, 加快了混凝土浇筑速度。

　　 典型振型和周期如图9所示, 由图9可知, 结构在两个主轴方向的动力特性相近, 平扭周期之比1.092/1.237≈0.88, 小于0.9, 满足规范要求, 第一竖向振型的出现在靠后的振型, 体现出了耦合受力后下部斜柱与大跨度屋盖的整体受力性能较好。

　　 1.0恒+1.0活作用下的位移等值线图见图10, 由图10可知, 最大位移为309.3mm, 挠跨比为309.3/70 000≈1/226, 考虑按l/300起拱, 起拱值为230mm, 实际竖向位移为79mm, 满足规范要求。

　　 在包络工况下, 大跨度屋盖的应力比柱状图如图11所示, 由图11可知, 应力比均小于1, 满足规范要求。

　　 整体稳定性分析云图见图12, 由图12可知, 结构最小屈曲特征值为8.57, 同时材料非线性和几何非线性后的临界荷载系数为2.1, 满足规范要求。

　　 本文采用了斜柱与大跨度屋盖耦合受力的设计方法, 减小了斜柱对整体结构产生的倾覆力矩, 增加了斜柱对整体结构的整体刚度贡献, 同时还减小了斜柱对基础造成的较大的柱底弯矩和水平力, 增加了结构延性, 提高了结构的可靠性。

　　 (1) 在结构布置时, 由于充分考虑了建筑平面及竖向的复杂情况对结构体系所造成的不利因素, 并有针对性地改善了主要抗侧力构件的布置和调整了部分构件截面, 结构各层位移角及扭转位移比、构件强度等均控制在规范允许范围内。

　　 (2) 要提前预见项目受力与普通结构不一致的地方, 对施工顺序和拆模顺序提出要求, 让施工单位在编制施工方案时必须考虑结构受力情况, 经过验算和分析结构安全性的同时, 选择确定合理的施工方案。