2022年冬奥会、冬季残奥会将在北京举办, 除了新建必要的冬季项目比赛场馆外, 本着勤俭办奥运的理念和满足广大市民对冬季体育项目的参与热情, 可以将有条件的既有场馆临时改造为冬季项目场馆。水立方 (国家游泳中心) 作为2008年奥林匹克运动会的标志性建筑, 赛后的运营管理非常成功, 将在2022年冬奥会期间承担冰壶和轮椅冰壶比赛任务。因此, 需要实现可随时将水立方的游泳场馆临时转换为冰上项目场馆的目标, 即在原有游泳池场地上构建冰面及其下部支撑结构, 冰上比赛完成以后再恢复场地原貌。改建与恢复的过程中均不能破坏原有场地, 同时考虑到场馆的运行需求, 要求能够随时快速地完成功能转换。

　　 传统冰场的冰面下部为大面积混凝土基础及保温隔热层^[1], 竖向刚度和承载力足以满足各类冰上比赛项目的需要。而临时转换的冰场下部使用支撑结构时, 势必要对其刚度和承载力提出严格要求^[2,3], 防止比赛荷载和冰面日常维护荷载作用^[4]影响冰面的平整度和产生难以接受的振动。较大的冰面竖向变形不但会影响正常比赛, 也可能造成冰面开裂, 影响美观。

　　 木结构具有绿色环保、保温隔热、轻质、美观、抗震和耐久性好等优点^[5], 其作为楼板使用时具有较高的承载力和抗冲击能力^[6], 如果能配合钢结构轻质高强的特点, 将会形成性能优良的结构体系。鉴于此, 提出了一种钢木组合的冰下支撑结构形式。为研究该结构方案的可行性, 对支撑面板和含有冰面的整体结构分别进行了试验研究, 得到了结构的刚度、承载力和一些动力特性, 证明钢木组合的冰下支撑结构完全可以在水立方临时转换的冰场中承担冰壶类比赛项目。

　　 图1为钢木组合的冰下支撑结构形式。其中支撑架体采用钢结构框架支撑体系, 该支撑体系除了能够维持三向稳定性之外, 还具有调平功能, 可以找平面板。而支撑面板采用复合的木箱单元, 如图2所示, 木箱单元由自身的上、下层面板与多道竖向肋板构成, 内部填充100mm厚难燃挤塑板。木箱在承担竖向荷载的同时, 还具有保温隔热功能。当然, 在冰面施工过程中尚需在支撑面板上铺设防水层, 但其对结构受力将不会产生实质性影响。

　　 图3为支撑面板 (木箱单元) 结构图。其上、下层面板均采用专门定制的多层桦木胶合板, 规格分别为1 200×1 200×38, 1 200×1 200×30, 其厚度决定了整个木箱单元的抗弯刚度, 由前期计算确定, 并考虑了工厂的制作加工能力;肋板采用欧洲赤松胶合木规格材1 200×185×38。肋板和面板之间使用间距不超过80mm的M5螺钉连接, 并预先用木结构胶粘接。木箱总重125kg, 便于人工搬运。支撑面板可通过四个角部可调节高度的螺栓支座实现四点支承, 也可将对边直接放在次梁上实现两对边支承。本次试验使用较为不利的四点支承情况, 以测试木箱单元的承载力和刚度。

　　 两个边肋板在木箱角部使用图4 (a) 所示的卯榫连接, 并用三角形木块加强。将图4 (b) 所示的螺栓支座嵌入木箱角部, 可以从木箱上部调节支座高度。中间肋板与边肋板采用图4 (c) , (d) 所示的钢制挂钩连接件连接, 放弃了传统木结构的连接方式^[7,8], 拟实现抗剪的等强连接。

　　 对木箱所使用的板材进行材性试验, 测得桦木胶合面板密度为775.2kg/m³, 顺纹抗拉强度f_t=171MPa, 顺纹抗压强度f_c=41MPa, 顺纹弹性模量E=16 603MPa;赤松肋板密度为479.1kg/m³, 顺纹抗拉强度f_t=121MPa, 顺纹抗压强度f_c=48MPa, 顺纹抗剪强度f_v=7.6MPa, 顺纹弹性模量E=10 686MPa。面板和肋板的材性均满足我国《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) ^[9]关于树种的强度要求。

　　 对4个相同的木箱试件进行集中荷载作用下的静力试验, 集中荷载作用面积为250mm×250mm, 加载位置如图5 (a) 中1~5所示, 用以确定使用荷载作用在各种不利位置时木箱的变形和承载力。支撑面板的关键试验结果见表1, 其中2.5t时的变形结果均为4个试件分别进行试验的平均值, 10t时的变形结果为单个试件破坏时的变形。作为常用冰上项目的场地, 最大集中荷载 (即冰车最大轮压) 不会超过2.5t, 可以发现此时木箱单元仍处于弹性阶段, 卸载后基本没有残余变形, 如图5 (b) 所示。

　　 从试验结果可知:1) 在2.5t荷载作用下, 除了加载位置4 (集中荷载作用在两肋板之间的面板上) 外, 木箱上表面发生的最大变形都在1mm左右, 变形与跨度的比值不超过1/1 000, 刚度远大于普通混凝土楼板, 表明作为冰场的支撑面板, 木箱单元具有较大刚度。由于实际集中力是作用冰面上的, 在厚度60~80mm的冰层内会发生力的扩散作用, 所以加载位置4并不真实存在, 试验结果仅作为参考使用。2) 2.5t荷载卸载后, 基本没有残余变形, 说明此时木箱单元处于完全的弹性阶段, 可以多次重复使用。3) 不同加载位置下木箱单元的极限承载力为13~17t, 表明木箱单元作为冰场支撑面具有足够的安全储备。4) 木箱单元在极限荷载作用下多表现为木箱肋板的剪切破坏 (图6) , 并未在任何肋板、面板及支座的连接处出现显著破坏, 表明结构的完整性良好。

　　 将泳池改造为冰场时, 采用钢结构架体支承木箱单元, 使得钢结构架体的主梁标高应略高出池岸地面, 以形成池内与池岸上的统一冰面, 如图7所示。制作了一条长60m、宽4m的冰壶球赛道。支撑架体双向均采用铰接支撑-框架结构, 见图8 (a) , 柱网尺寸为2.4m×1.8m, 次梁叠接于主梁上方。截面规格为钢柱H150×150×4.5×6、主梁H250×150×4.5×6、次梁H200×150×4.5×6、支撑圆管D68×4。间距600mm的次梁上依次铺设木箱面板单元、30mm厚硬质挤塑板 (XPS) 、两层防水膜、70mm厚冰层 (-8℃) , 如图2所示。专门设计了一种可调节高度的铰接柱脚, 用于结构体系的调平, 见图8 (b) 。

　　 根据支撑架体的柱网尺寸和次梁间距, 对木箱单元尺寸进行了优化, 改进后的木箱尺寸为2 400×600×160, 保持单元水平投影面积不变, 减小了木箱跨度, 降低了木箱高度和板件厚度。并将支承方式由原来的四角螺栓支座改为多道次梁形成的多跨连续支座, 进一步提升了木箱的刚度和承载力, 如图9所示。上、下层面板均为20mm厚, 顺肋和横肋均为30mm厚, 顺肋间距减小为160mm。改进后的木箱质量大幅降低, 由原来的125kg降为82kg, 可以有效提高施工效率。

　　 现场试验在水立方泳池场地进行。为测试可装拆式冰场复合支撑结构在搭设过程中各个阶段 (图10) 的力学性能, 现场试验共分为6个阶段。阶段1:支撑架体加载试验;阶段2:面板铺完后的加载试验;阶段3:冰面完成后的加载试验;阶段4:支撑架体水平变形监测;阶段5:冰面长期变形监测;阶段6:大型移动荷载试验。

　　 前3个阶段的测量内容为300kg静力使用荷载 (不含自重) 作用下的变形、自振频率和应变等, 使用混凝土块加载, 如图11 (a) 所示;阶段4测量制冰开始后一周内下部支撑架体的水平温度变形, 采用图11 (b) 的百分表1~4 (分别位于 (1) ~ (4) 号测点处) 测量钢架与池壁的相对位移;阶段5测量冰面完成后在长期使用荷载作用下支撑结构因竖向徐变等引起的冰面平整度变化, 采用图11 (c) 的测量方法, 仪表架支座位于柱头上方的冰面上 (相当于不动点) , 从此处伸出的高精度位移计A, B (分别位于?, ?测点处) 的度数变化就相当于柱网跨中由次梁和面板引起的竖向变形;阶段6的测量内容为在5t移动荷载 (使用载重的叉车模拟) 往复4次作用下的冰面变形及破坏现象观察等, 用于验证结构的稳定性和可装拆冰场的适用范围, 见图11 (d) , 其中叉车轮胎与冰面接触宽度为200mm、接触长度为72mm。

　　 表2为6个阶段的现场整体试验结果。从前3个阶段的结果中可以看出, 300kg使用荷载作用下, 结构竖向最大变形还不到跨度的1/10 000, 自振频率范围为26~30Hz, 表明结构刚度很大, 可为比赛提供一个近似不动的场地。随着支撑面板和冰面的相继完成, 结构的最大挠度逐渐减小, 自振频率也有所增加, 表明支撑面板和冰面的存在有助于提高结构的整体性和协同工作能力、增大结构刚度。应变水平较低, 构件强度不起控制作用。

　　 从阶段4的支撑架体水平温度变形中可以看出, 在制冰过程中, 随着温度降低, 支撑结构主要产生收缩变形, 如表2和图12中的负值。冰面形成后, 下部结构的温度比室温降低了3~4℃, 木箱及其内部的保温材料发挥了较好的隔热功能;赛道长度方向的变形量大于赛道宽度方向, 但总体数值都不大, 不超过0.7mm, 不会对上部结构产生不利影响。图12为支撑架体水平温度变形与时间的关系曲线, 可以发现支撑架体的变形发展主要集中在制冰初期的24h内, 此时温度变化较为剧烈;温度基本恒定后, 支撑架体的水平变形基本不再发展, 并趋于稳定。

　　 阶段5测试的一周时间内, 进行了阶段3的加载、荷载块运输、数据采集人员的往复走动、制冰人员的冰面维护、访客参观等日常活动, 其工作状态近似于冰壶比赛。测得的冰面长期变形最大值为0.46mm, 仅为柱网短跨的1/3 900, 不会对冰面产生不利影响。

　　 阶段6试验过程中支撑架体具有良好的稳定性, 叉车往复4次作用下, 承重约为2t的后轮处冰面最大竖向变形为0.36mm (距轮胎直接作用处150mm左右) , 叉车往复4次作用下冰面变形曲线如图13所示 (轮压正下方的变形无法直接测得, 数值会更大些) 。可以看出, 轮压过后变形基本能够恢复, 但当叉车启动和刹车时, 可以观察到冰面上出现了明显的碾压痕迹, 碾压处产生较多微小裂缝, 并在个别位置出现了横贯赛道宽度方向的通长裂缝, 见图14。其原因是叉车轮胎与冰面接触面积过小, 局压应力 (约为1.4MPa) 接近淡水冰抗压强度^[10]。另外, 按制冰工艺要求, 在木箱面板和冰层之间增加了一层30mm厚的挤塑板, 相当于冰层下存在一层软弱基础, 造成冰面承受局压的同时, 还会承受一定的弯矩, 从而引发开裂。

　　 在测试本文所提出的钢结构架体支承木箱单元方案 (方案1) 的结构刚度和承载力等性能的同时, 还对比测试了钢框架支承钢筋混凝土面板方案 (方案2) 、脚手架支承木箱单元方案 (方案3) 、脚手架支承钢筋混凝土面板方案 (方案4) 和脚手架支承带肋铝合金面板方案 (方案5) 。

　　 图15为阶段2时各种支撑方案下结构部件最大竖向变形和自振频率的对比, 可以看出使用木箱面板单元 (方案1) 和混凝土面板 (方案2) 的钢框架支撑结构的竖向变形基本一致, 且变形较小、自振频率较高, 性能优于下部使用脚手架 (方案3, 4, 5) 的支撑结构。使用带肋铝合金面板 (方案5) 时结构变形较大、各处频率存在差异, 性能较差。5种支撑方案均具有较好的抵抗水平温度变形的能力, 长期使用过程中竖向徐变很小, 结构整体的水平和竖向稳定性均较好。其他阶段的试验结论基本一致, 此处不再赘述。

　　 木箱单元作为冰下支撑面板可以达到与钢筋混凝土面板相同的力学性能, 且木箱单元重量更轻, 更方便安装与拆除。

　　 (1) 所提出的木箱面板单元具有较大承载力和刚度, 具有保温隔热功能, 且具有良好的可装拆性能, 优化后的木箱单元能够满足可装拆冰场的使用需求。

　　 (2) 可装拆的钢结构支撑架体和木箱面板单元组成的冰面支撑系统具有良好的自身稳定性, 刚度大、自振频率较高, 可以承担冰壶等比赛的使用荷载;抗温度变形能力强, 荷载长期作用下徐变微小。

　　 (3) 所提出的冰下支撑体系具有较高的承载力, 可以承受5t大型冰车的移动荷载;但所使用的冰面做法不适合使用大型冰车进行日常维护作业, 容易造成冰面开裂, 所用的冰车质量应在300kg左右为宜。