第七届世界军运会在武汉举行，其主赛场为五环体育中心体育场，位于湖北省武汉市东西湖区金山大道与临空港大道交汇处。该项目由3万座体育场、8 000座体育馆和1 000座游泳馆组成，以满足2019年第七届世界军运会和2021年武汉市第十一届运动会以及其他省级、国家级体育赛事，并满足赛后综合利用的要求，是集休闲公共空间和运动功能于一体的综合型建筑，建筑效果图如图1所示。其中体育场为本届世界军运会主赛场，建筑面积22 292m²，地上四层，整体结构呈“椭圆”形，椭圆屋盖长轴长为237.66m，短轴长为205.9m，建筑物高度为46.5m。地上结构由下部主体结构和屋盖结构两部分组成，下部主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，屋盖结构具体相关内容见文献[1]。

　　 体育场结构设计使用年限为50年，耐久性年限为100年，安全等级为一级。抗震设防烈度6度(0.5g)，设计分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。抗震设防类别为重点设防类(乙类)，按6度进行抗震计算分析，按7度要求采取抗震措施。主体结构为钢筋混凝土框架结构，抗震等级二级，钢结构屋盖抗震等级为三级。

　　 屋面荷载:恒载0.7kN/m²(考虑金属保温屋面自重)，活载0.50kN/m²(活荷载不与雪荷载同时考虑)。

　　 楼面荷载:根据建筑功能房间要求和建筑总图上划定的消防车荷载，按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)^[2]确定楼面活荷载，按建筑装修做法确定楼面恒载。

　　 风荷载:风荷载按风洞试验结果^[3]取值，采用100年重现期。本工程为具有体型复杂、柔性大、阻尼小等特点的大跨度屋盖结构，属风敏感柔性结构，风场特性异常复杂，对于风荷载敏感的大跨结构(或柔性结构)，风荷载为结构安全设计的主要控制指标。

　　 雪荷载:基本雪压为0.60kN/m²，采用100年重现期。

　　 温度作用:钢结构屋盖最大升温差25.15℃，最大降温差-31.55℃;混凝土结构最大升温差17℃，最大降温差-25℃，考虑混凝土开裂引起的结构刚度降低，折减系数取0.5。

　　 根据该工程地质勘察报告^[4]，体育场区域一部分岩层为白云岩，一部分为泥岩，岩层平面分布图如图2所示，典型土层竖向分布图如图3所示，图3中实线部分(场地基岩类别分区线)表示出了白云岩和泥岩的分界线竖向土层分布，各土层承载力和压缩模量数值如表1所示。

　　 根据土层参数，结合柱底内力和基底埋深，基底位于(2)₁粉质黏土层或(1)₂填土层，白云岩区域有溶洞，天然地基不适合，宜采用钻孔灌注桩基础。灌注桩直径取800mm，桩身混凝土强度等级为C40，设计承载力特征值为5 000kN。由于白云岩区域有溶洞，需要进行超前钻，探明地质情况以便确定桩长。根据地质勘察报告^[4]确定两种岩层的分界线，为了节约超前钻成本同时达到探明岩层要求，将分界线往泥岩区域延伸两跨进行超前钻，岩层分界线和桩超前钻分界线如图2所示。

　　 体育场区域桩基岩层有白云岩和泥岩，白云岩区域有串溶现象，可能存在基础不均匀沉降，而屋盖为索承网格结构，对基础不均匀沉降比较敏感。两种岩层区域桩基沉降的差异，可以通过试桩在承载力特征值5 000kN作用下的沉降值进行判断。体育场设计了6根承压试桩，白云岩区域3根，泥岩区域3根，通过静载试验数据可以发现，在5 000kN作用下，白云岩区域3根试桩的沉降分别为6.65,7.07,9.14mm;泥岩区域3根试桩的沉降分别为5.87,5.00,4.60mm。从沉降数据分析，在特征值作用下，两种岩层的沉降差异较小，均在5mm以内，位移方向为竖向，屋盖索方向为水平径向，故该位移对钢结构屋盖内力影响较小，可以忽略不计。

　　 在白云岩区域施工桩基时，由于存在溶洞，施工时应采取相应措施，具体如下:1)根据地质勘察报告^[4]显示，场地面层存在0.5～5m深的淤泥质软土，对于存在较厚软土区域，施工时应增加钢护筒，护筒埋设深度应超过填土和软土深度;2)在大溶洞和串洞严重的钻孔附近补充勘探，查明溶洞水平方向发育的状况，必要时采用桩基跨域溶洞的方法进行处理;3)桩基施工时，在周边准备充足的片石和黏土，若出现塌孔，及时用黏土和片石回填，再进行钻孔成孔;4)施工桩基采用气举反循环清孔，下导管灌注混凝土前必须保证沉渣厚度不超过50mm，浇筑混凝土时，控制拔管速度，应保证导管始终埋入混凝土内深度为5～6m。

　　 体育场由下部看台主体结构和屋盖结构组成，下部主体结构为屋盖结构提供支撑。主体结构不设温度缝和防震缝，以避免单元之间的相对变形和振动对钢结构屋盖的不利影响。

　　 主体结构主要由72榀径向框架、环向框架和入场平台框架组成，整体结构不设变形缝。主体结构由下至上分为4层，各层环梁将径向框架柱、斜梁连在一起就构成了环向框架。径向框架和环向框架构成了典型的碗状斜看台结构，柱网环形布置，为整个结构提供径向和环向刚度。同时，径向框架顶部支承固定屋盖，要求具备足够大的刚度和强度。

　　 体育场外圈支承屋盖的框架圆柱直径为1 200mm，屋盖与框架柱通过销轴铰接连接，为了保证框架柱与销轴支座底板可靠连接，在圆形混凝土柱内插入十字形型钢，柱内型钢与支座底板采用坡口焊焊接;非支承屋盖的框架柱采用混凝土矩形截面，截面尺寸均为800×800;看台斜梁采用钢筋混凝土梁，上段截面为800×900，中段、下段截面为500×700，平台径向梁截面尺寸为400×700，环向框架梁截面尺寸为500×700。二层结构平面布置见图4(图中仅表示出了框架梁)，图5和图6给出了图4中轴的剖面图。

　　 采用由美国CSI(Computers&Structures,Inc．)公司开发的商用有限元软件SAP2000 V16.1.0进行分析计算，并采用MIDAS Gen软件进行校核。对于总体模型，小震下阻尼比分别采用材料阻尼比计算，混凝土材料的阻尼比取0.05，钢材阻尼比取0.02。荷载的施加:采用质量和刚度均退化为零的面单元，在屋面面单元上施加均布恒、活、风荷载，马道、天沟根据荷载计算结果采用点荷载直接施加于钢结构构件上。两种软件的计算模型如图7,8所示。SAP2000与MIDAS GEN计算结构周期比较如表2所示。前三阶振型的振动主要表现为屋盖的振动如图9所示。

　　 体育场主体结构设计主要存在两个疑难点，钢结构屋盖对下部主体结构的影响;体育场主体环向长轴直径超过100多米，属于超长结构，未设置伸缩缝，如何减小温度应力和避免混凝土开裂，将成为关键疑难问题。

　　 钢结构屋盖与主体结构通过在柱顶设置支座连接，支座为铰接支座，节点详图如图10所示。结构主体计算时，为了准确计算钢结构屋盖对主体结构的影响，需建两个计算模型，一为主体与屋盖组装在一起的整体模型;二为分开模型，包括屋盖单独模型和主体单独模型，将屋盖模型计算的支座内力按荷载施加到主体模型柱顶上。按上述两种模型计算结果进行包络设计，前者考虑屋盖的刚度，后者未考虑。图11为支承屋盖框架柱的平面布置图，从中选取4根位于长轴和短轴处的框架柱KZ1～KZ4进行分析，表3为两种计算模型计算的该4根柱传递给混凝土水平梁或斜梁的内力，其中剪力沿径向，弯矩沿环向，内力组合为1.35D+0.98L，分开模型主体部分支承屋盖的内力是由单独屋盖模型计算得到的，再将其作为单独主体模型柱顶荷载输入。从计算结果可以发现，单独屋盖模型传给单独主体模型柱顶的内力与整体模型相比，轴力相同，剪力和弯矩前者大于后者，主要原因在于分开模型未考虑屋盖刚度，屋盖传递给主体结构的弯矩和剪力需通过下一层框架梁和楼板传递消化，因此主体结构设计时应该采用分开模型进行设计，结构更为安全。

　　 体育场主体整体成椭圆形，椭圆长轴长约为238m，短轴长约为206m，为了不影响建筑功能使用要求，整个结构未设置伸缩缝，属于超长结构，计算时需要考虑温度应力。整个结构按照混凝土结构最大升温差17℃，最大降温差-25℃进行温度分析，对于温度应力较大区域通过增加楼板配筋来满足受拉应力要求，其他区域采取加强构造要求，板厚不小于120mm，混凝土强度等级不小于C35，楼板配筋双层双向配筋，单层配筋率不小于0.3%。

　　 在施工过程中，大体积混凝土的水化热处理不当，会使楼板产生较大温度应力，使楼板出现裂缝，因此需采取以下几项加强措施。

　　 严控施工合拢温度，加强混凝土养护，混凝土结构合拢温度为15～20℃，施工严格遵守该结构合拢温度。平台层混凝土的养护非常重要，应按大体积混凝土的养护程序进行养护，其主要作用是控温和保湿，尽最大可能控制混凝土的内外温差，防止混凝土出现裂缝。为便于施工和提高养护效率，采用麻袋加塑料薄膜的复合养护方法，控制混凝土内外温差在25℃以内。在混凝土初凝前用木抹搓面两遍后立即覆盖一层塑料布，将混凝土表面盖严，再覆盖两层麻袋进行养护。

　　 图1 0 柱顶支座节点详图

　　 由于整个结构未设置伸缩缝，为有效降低混凝土收缩和负温差作用效应，需要布置伸缩后浇带，沿径向布置径向后浇带，沿环向布置环向后浇带，后浇带间距不大于30m，后浇带平面布置如图12所示。

　　 按图12通过布置伸缩后浇带控制温度应力，防止超长结构开裂，需设置24条径向后浇带和两条环向后浇带，后浇带施工须在混凝土施工完成60d后方可进行封闭，严重影响工期。由于后浇带数量多，后浇带施工是一个综合性难题，钢筋外露时间长，保护难度大，后浇带清理困难，保证后浇带施工质量的技术和管理难度大，混凝土二次浇筑容易形成质量问题，后浇带自身反而成为结构开裂漏水的源头。

　　 为解决后浇带过多带来的质量通病和影响工期的缺点，可以采取跳仓法施工，跳仓法分仓可按照后浇的分隔区域来分仓，如图13所示。跳仓法的原理就是“放”与“抗”的原理，早期对混凝土的应力进行释“放”，后期利用混凝土自身的抗拉能力来“抗”，防止混凝土裂缝。适当安排每仓混凝土的浇筑顺序与时间，保证每相邻仓间隔7d及以上浇筑混凝土，由于各种原因现场必需留置后浇带时，可把后浇带作为一小仓，间隔7d或在合宜时间封闭，这样可以大大节约工期。

　　 通过与施工总包沟通施工方案，体育场由于体量太大，不会逐层一起施工，而是会根据4个出入口划分为4个标段，如图13所示，4个施工通道将整个平面划分为4部分，施工各部分时，在通道边界预留钢筋，待各部分主体封顶后，再施工中间的施工通道，将4部分连为一体。设计时在计算温度应力时，可以考虑施工方案，施工段的划分能更有效地释放超长结构的混凝土温度应力，减少温度钢筋的配置，节约造价，节省工期。

　　 通过对体育场主体结构设计过程中碰到的相关疑难问题进行分析，可以得到以下几点结论:

　　 (1)当屋盖采用索结构时，对于基础设计首先需要进行沉降分析，沉降过大会对钢结构屋盖产生过大次内力。

　　 (2)主体结构计算时，需要进行屋盖和主体组装整体模型计算和分开模型计算，取两种计算结果包络值进行设计，计算结果表明分开模型对主体结构计算的内力更大，整体模型的前三阶振动均表现为屋盖的竖向振动。

　　 (3)整个体育场为了更好地满足建筑使用功能，可以不设置伸缩缝，但需要进行温度应力分析，分析时可以有效结合施工方案，按多块考虑温度应力，减少温度钢筋设置，节约造价。