国家速滑馆位于北京市朝阳区林萃桥东南侧, 其用地西侧为林萃路, 东邻奥林西路, 北邻北五环路, 是北京2022年冬奥会的标志性场馆, 也是冬奥会北京赛区唯一新建场馆^[1]。冬奥会期间, 国家速滑馆将承担速度滑冰项目的比赛和训练;冬奥会后, 该馆将成为能够举办滑冰、冰球等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆。图1为国家速滑馆的效果图。

　　 本工程主要由主场馆及外围地下车库组成, 其中地下主体结构东西长290m, 南北宽240m, 地上主体结构南北长约240m, 东西宽约178m。本工程结构连为一体, 不设永久结构缝。图2为主体结构空间模型。

　　 地上主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构, 结构典型剖面如图3所示。钢结构屋顶支承在48根看台斜柱上, 斜柱倾斜角度约20°, 柱顶设置混凝土环梁。图4为看台斜柱与屋顶环梁的三维布置图。由于功能需要, 东西两侧主入口大厅处看台斜柱间距约64m, 斜柱尺寸为2 000×3 150;其余位置斜柱间距约9～11m, 斜柱尺寸为1 000× (2 000～3 000) , 由南北两极向中间逐渐加大。斜柱顶标高随马鞍形屋盖形状变化, 最高柱顶标高为17.330m, 位于主入口大厅两侧, 最低柱顶标高为6.237m, 位于南北两侧。斜柱柱顶最大跨度南北向约214.5m, 东西向约141.5m。外围护幕墙结构上端固定于顶部的巨型环桁架上, 下端固定于混凝土主体结构首层顶板外圈悬挑梁端。首层顶板从32根外围巨型柱挑出悬挑梁支承拉索幕墙, 最大悬挑长度约5m, 外围巨型柱截面尺寸约为900×3 100。

　　 主场馆各柱荷载差异大, 故看台区域采用桩筏基础。基础桩采用机械钻孔灌注桩, 桩径1 000mm, 采用后压浆 (侧压浆+端压浆) 技术, 桩端持力层为⑨层细砂、中砂, 单桩竖向承载力特征值6 000kN, 要求桩端进入⑨层细砂、中砂不小于2.5m, 且有效桩长不小于29m。

　　 主场馆其余部位采用平板式筏型基础, 板厚600mm, 地基持力层为③层粉质黏土、黏质粉土。

　　 比赛场地FOP区域采用400mm厚抗水板, 上覆400mm厚钢渣回填料, 地基持力层为②层砂质粉土、黏质粉土。

　　 纯地下室范围采用平板式筏型基础, 板厚600mm。采用天然地基, 地基持力层为③层粉质黏土、黏质粉土。图5为结构基础平面布置。

　　 对于主体结构来说, 存在如下超限情况^[2]:1) 扭转不规则:考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2, 最大达到1.47;2) 楼板不连续:首层顶板开洞, 有效宽度小于50%;3) 局部不规则:本工程支承屋盖的巨型柱均为斜柱。根据本工程的特点和难点, 针对不同部位构件的重要性, 采取相应的加强措施。

　　 对于主体结构, 采取如下加强措施^[3]:1) 针对本工程的超限情况, 制定性能目标, 如表1所示;2) 提高关键部位的抗震等级:支承钢结构屋盖的斜柱和柱顶梁抗震等级提高至特一级;3) 关键构件和支座进行细部有限元分析;4) 对结构进行大震动力弹塑性时程分析, 评估结构在罕遇地震下的性能;4) 采用传感器等监测手段, 对结构进行施工及使用阶段的健康监测。

　　 支承屋盖的巨型柱均为斜柱, 在D+L作用下均会产生相应的水平位移和相应的柱底弯矩 (其中D为恒载, L为活载) 。图6为D+L作用下48根巨型柱的变形。由图6可知, 在D+L作用下斜柱柱顶最大位移17mm, 位于主入口两侧。斜柱柱顶最小位移6mm, 位于南北两极。图7为D+L作用下48根巨型柱的弯矩。由图7可知, 在D+L作用下斜柱柱底最大弯矩达到21 557kN·m, 位于主入口两侧。

　　 巨型柱在D+L作用下已发生水平位移, 产生了相应的内力, 在与其他工况组合时应特别引起注意, 特别是地震工况的内力调整。

　　 采用有限元软件ABAQUS对整体结构进行罕遇地震下动力弹塑性时程分析^[4]。主要用于考察混凝土结构部分抗震性能, 研究结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况, 重点考察的部位主要包括型钢混凝土框架等关键构件, 具体指标包括框架柱位移角、应变、型钢塑性应变等。巨型柱编号见图8。选取2条人工波 (ACC1XY波、ACC1YX波) 及3条天然波 (ZTL952XY波、ZTL952YX波、ZTL1579XY波) 。

　　 表2, 3分别为巨型柱在大震作用下的X, Y向层间位移角, 最大层间位移角为1/85, 满足性能目标的要求。图9为巨型柱混凝土应变云图。从图9可以看出, 各工况下巨型柱部分混凝土柱边缘混凝土压应变达到-0.002 3, 绝对值小于混凝土极限压应变0.003 3, 混凝土未出现压溃, 大部分混凝土压应变绝对值小于0.001, 即截面边缘混凝土进入塑性出现屈服, 但塑性并未充分发展。

　　 支承环桁架的巨型柱作为结构的关键构件, 承受环桁架在升温作用下产生的外推力^[5] (由于环桁架在升温作用下发生膨胀变形, 对巨型柱产生外推力, 特别是南北两侧) , 由于柱子较高且均为斜柱, 为研究支承柱在竖向荷载和水平荷载下的承载力, 采用有限元软件ABAQUS对支承柱进行有限元分析。仅给出南北两端的巨型柱的计算结果, 图10为巨型柱的荷载条件, 图11～13分别为巨型柱混凝土、钢骨及纵筋应力分布情况, 图14为巨型柱的承载力-位移曲线。

　　 除巨型柱混凝土受压区边缘区域最大von Mises应力为39MPa外, 其他区域应力均较小。巨型柱钢骨翼缘最大von Mises应力为141.7MPa左右, 其他区域钢骨von Mises应力较小。在约束端受压区位置, 纵筋最大von Mises应力为217.9MPa, 其他位置纵筋最大应力在100MPa左右。巨型柱在竖向力5 752kN、水平力3 874kN工况下仍然处于弹性工作阶段, 整个巨型柱承载力完全满足设计要求且留有一定的余量。

　　 国家速滑馆是集大跨单层索网、巨型斜柱于一体的复杂结构, 通过对其研究得出以下结论:

　　 (1) 巨型斜柱在恒荷载作用下已产生一定的内力和变形, 与其他工况组合时应引起注意。

　　 (2) 巨型斜柱承载力满足性能标准要求, 并具有一定的安全储备。

　　 (3) 混凝土支承结构大震下最大层间位移角小于1/50, 满足大震不倒的要求。