武漢體育中心體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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武漢體育中心體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭必武  李  治

（武漢建筑設(shè)計(jì)院    430014）

提  要  武漢體育中心六萬(wàn)人體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土框架——筒——索膜整體結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)受力分析采用空間非線性計(jì)算程序。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定風(fēng)載取值。通過(guò)局部模型試驗(yàn)檢查關(guān)鍵部位的受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。根據(jù)索膜蓬蓋特點(diǎn)的特殊結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)保證了安裝、使用的安全可靠?？?mdash;—筒——索膜結(jié)構(gòu)在大型體育場(chǎng)的設(shè)計(jì)中是一種先進(jìn)的效果良好的結(jié)構(gòu)型式。

關(guān)鍵詞  框——筒——索膜結(jié)構(gòu)  風(fēng)洞試驗(yàn)  節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

一、概  述

武漢市體育中心是武漢市規(guī)模最大的體育建筑群，包括六萬(wàn)人體育場(chǎng)、游泳館、水上娛樂(lè)中心等一組現(xiàn)代化的體育建筑。體育中心位于武漢沌口經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)腹地，318國(guó)道從其西側(cè)經(jīng)過(guò)，與占地1600畝的新江漢大學(xué)遙遙相對(duì)，形成武漢市又一現(xiàn)代特色的大型文化中心。開(kāi)發(fā)區(qū)是武漢市改革開(kāi)放的碩果之一，轎車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，近廿年的新型建筑規(guī)劃合理、布局有致、交通四通八達(dá)，這座現(xiàn)代化的體育中心座落在該區(qū)是十分相宜的。

體育場(chǎng)是體育中心的主體工程，建筑面積8萬(wàn)平方米，投資約3.7億元，設(shè)有總高45米的二層看臺(tái)，可容納六萬(wàn)觀眾，一流的場(chǎng)地設(shè)施，可以承擔(dān)國(guó)內(nèi)國(guó)際的一流大型比賽。

體育場(chǎng)由四個(gè)花瓣形看臺(tái)組成橢圓形平臺(tái)，長(zhǎng)軸277米，短軸245米，（周長(zhǎng)約800米）競(jìng)技場(chǎng)設(shè)于其中，從任意位置均可清楚的觀看場(chǎng)內(nèi)項(xiàng)目比賽。看臺(tái)采用框架結(jié)構(gòu)體系，設(shè)置四個(gè)角筒，框—筒為蓬蓋支座，蓬蓋采用目前國(guó)際上流行的索膜張拉結(jié)構(gòu)，施加予應(yīng)力后與框—筒共同受力，形成框—筒—索膜結(jié)構(gòu)體系。（圖1）

二、結(jié)構(gòu)體系

(一) 框架結(jié)構(gòu)體系部分：

蓬蓋以下部分為體育場(chǎng)看臺(tái)及辦公輔助用房，采用框架結(jié)構(gòu)體系。徑向框架為主要受力方向。承受看臺(tái)及樓蓋荷重，并承受蓬蓋荷載?？蚣芄?6榀，東西區(qū)懸挑過(guò)大，為減小端點(diǎn)位移，采用Y型框架立柱（圖2）

徑向框架懸臂端為蓬蓋Y形大懸挑桁架鋼伸臂支座。設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土L型剛臂。頂點(diǎn)根據(jù)蓬蓋反力和計(jì)算簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)為鉸支座，L型角部為蓬蓋下拉桿支座，形成蓬蓋伸臂的平衡系統(tǒng)。

橫向框架由徑向框架柱、連梁、樓蓋梁組成。看臺(tái)座采用現(xiàn)澆予應(yīng)力┏型梁，整體性較好。

花瓣形平面四角交匯處設(shè)計(jì)高約40米直徑10米的鋼筋混凝土筒體，承受拱形外環(huán)梁巨大的水平推力，保證蓬蓋索膜系統(tǒng)形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

(二) 蓬蓋索膜體系：

蓬蓋由傘狀膜結(jié)構(gòu)單元組成。東西側(cè)看臺(tái)每側(cè)18個(gè)膜單元，南北側(cè)看臺(tái)每側(cè)14個(gè)膜單元，總共64個(gè)膜單元。每個(gè)膜單元承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重、屋面荷重、檢修荷重和音響、燈光、馬道等懸掛荷重。風(fēng)載是蓬蓋結(jié)構(gòu)的主要荷載，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)取值?？拐鹪O(shè)防烈度為七度。

傘狀膜單元由鋼臂、索、膜組成。鋼臂為Y形平面。鋼管空間桁架。臂伸最大長(zhǎng)度52米，后部通過(guò)鋼管下拉桿平衡。鋼管下拉桿組成空間三角形，錨固節(jié)點(diǎn)為鋼筋混凝土剛臂。鋼臂與剛臂采用鉸結(jié)支座。內(nèi)環(huán)索施加予應(yīng)力后起彈性支點(diǎn)作用。鉸結(jié)支座處設(shè)立柱，立柱與上拉索形成蓬蓋膜需要張拉成形的高度和予張力，滿足蓬蓋的鋪設(shè)要求。

索膜部分包括谷索、脊索、邊索、內(nèi)環(huán)索、各索施加予應(yīng)力才能參加蓬蓋受力，予應(yīng)力值根據(jù)膜找形和使用條件計(jì)算確定，內(nèi)環(huán)、索各點(diǎn)垂直位移控制在20cm以內(nèi)。

各膜單元通過(guò)上下環(huán)梁，內(nèi)環(huán)索相互聯(lián)結(jié)并與四角筒撐桿平面上形成非線性的整體受力體系。上下環(huán)梁是一個(gè)空間拱，拱腳支座為四個(gè)角筒，內(nèi)環(huán)索相當(dāng)于拱拉桿。大部分水平力分力由空間拱承受，垂直力主要由鋼臂通過(guò)挑臺(tái)框架傳給基礎(chǔ)，同時(shí)空間拱也承受部分豎向力。（圖3）

三、內(nèi)力分析

由于體系的非線性特點(diǎn)，采用非線性專用程序進(jìn)行內(nèi)力分析。

根據(jù)體系建立三維空間有限元模型整體分析求解，從而得到桿件單元的設(shè)計(jì)內(nèi)力。

設(shè)計(jì)考慮了包括地震作用組合的17個(gè)工況，進(jìn)行荷載不利組合。起控制的工況為上拔風(fēng)工況及XY風(fēng)荷載與活載組合的工況。屬于由可變荷載效應(yīng)控制的組合。東西看臺(tái)鉸支座內(nèi)力最大值其豎向力為7000kN，水平力為5000kN。

控制工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)果                      表1

工況

組   合

桿件最大內(nèi)力（kN）

桿件最小內(nèi)力（kN）

1

上撥風(fēng)工況

4492

-3806

2

X方向風(fēng)載

2791

-3844

3

Y方向風(fēng)載

2640

-3453

4

XY方向風(fēng)載和活載組合

3635

-4853

注

+表示拉力；－表示壓力

四、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

索與鋼臂、立桿、拉桿采用銷接。鋼臂與框架支座采用空間鉸?？臻g鉸的設(shè)計(jì)是保證索桁受力和框架支座安全的關(guān)鍵。

在進(jìn)行整體力學(xué)分析時(shí)在索桁平面內(nèi)設(shè)計(jì)為鉸。目的是不傳遞彎矩，避免框架支座產(chǎn)生很大的柱端彎矩，使鋼筋混凝土L形剛臂立柱截面、配筋很大而難以滿足設(shè)計(jì)和施工要求。索膜安裝時(shí)予應(yīng)力張拉的不平衡力形成水平彎矩及安裝偏差的次彎矩，造成剛臂立柱的扭矩，也是必須避免的。在使用階段風(fēng)載會(huì)產(chǎn)生水平不平衡力，其力由內(nèi)外環(huán)索和水平支撐承受，在該節(jié)點(diǎn)處不產(chǎn)生扭矩。

空間鉸接觸面為一球冠，球面半徑按接觸面承受水平力和垂直力的最不利內(nèi)力數(shù)值設(shè)計(jì)，Nmax=7000kN，Vmax=5000kN，不同工況水平力與垂直力的夾角不同，該球面半徑形成的球冠能在所有工況的夾角下保證相適應(yīng)的合力點(diǎn)位于球面之內(nèi)并使接觸面的抗壓滿足要求。

球冠的矢高不宜太高，雖然大矢高對(duì)鋼鉸設(shè)計(jì)有利，但對(duì)立柱和鉸底面的設(shè)計(jì)不利，水平力作用點(diǎn)或合力點(diǎn)形成附加彎矩較大，矢高和半徑必須經(jīng)過(guò)各種組合后優(yōu)化確定，最終取用東西區(qū)為r=375mm，f=171.5mm；南北區(qū)r=375mm，f=158mm。

五、風(fēng)洞試驗(yàn)

由于大型體育場(chǎng)索膜結(jié)構(gòu)風(fēng)載取值無(wú)規(guī)范可循，因此通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。風(fēng)洞試驗(yàn)由北京大學(xué)、清華大學(xué)共同完成。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)取值：風(fēng)壓最大值1.15kpa（壓力），最小值-1.65kpa（體型系數(shù)最大值1.4（壓力）最小值-2.7（吸力），風(fēng)振系數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)部位不同分別取值1.25～2.5。

風(fēng)洞試驗(yàn)為剛性模型，模型比例1∶150，壓力由模型每轉(zhuǎn)動(dòng)15°角測(cè)量?jī)?nèi)、外表面一次，當(dāng)模型旋轉(zhuǎn)360°即24次后，即獲取內(nèi)、外表面各自的全蓬蓋壓力分布。

主要測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)列表如下：（風(fēng)壓值為經(jīng)過(guò)換算后設(shè)計(jì)可直接采用值）

表2

部   位

50年重現(xiàn)期風(fēng)壓（Kpa）

壓力最大值

吸力最大值

東區(qū)

0.9

-1.4

南區(qū)

1.0

-0.8

西區(qū)

0.9

-1.3

北區(qū)

1.0

-0.9

六、節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

為了確保支座節(jié)點(diǎn)的安全，根據(jù)設(shè)計(jì)圖作了補(bǔ)充試驗(yàn)，由華中科技大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室完成。試驗(yàn)采用1∶4比例，模擬靜動(dòng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)加載，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是安全可靠的。

七、材    料

鋼材采用Q345C級(jí)鋼，膜材采用法拉利120ZT型PVC，輔材選用不銹鋼緊固件，鋁合金壓條等標(biāo)準(zhǔn)件。膜面投影面積29844m2，展開(kāi)面積39400m2，索用量約120噸，桿件桁架由焊接鋼管和無(wú)縫鋼管組成。

節(jié)點(diǎn)均采用對(duì)接焊縫，不同部位采用熔透焊和角焊縫。角焊縫用于次要受力部位和超聲探傷不便進(jìn)行處，并通過(guò)檢測(cè)保證焊接質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

結(jié)    語(yǔ)

通過(guò)武漢體育中心六萬(wàn)人體育場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工，可以認(rèn)為：

1、大型體育場(chǎng)容納觀眾越來(lái)越多，場(chǎng)地越來(lái)越大，成為其建設(shè)趨勢(shì)。索膜結(jié)構(gòu)具有自重輕，覆蓋靈活，覆蓋面積大，造型美觀的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)代大型體育場(chǎng)的合理先進(jìn)的首選型式。

2、風(fēng)載是索膜結(jié)構(gòu)的主要荷載，應(yīng)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定并應(yīng)考慮風(fēng)振作用。

3、索膜蓬蓋應(yīng)與下部支承形成整體受力體系，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)要選擇好整體受力模式，整體受力應(yīng)該是穩(wěn)定的、簡(jiǎn)捷的、可靠的從而是最經(jīng)濟(jì)和合理的。

4、特殊的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須加強(qiáng)，要考慮多種可能的受力狀況，即需要考慮不利組合的同時(shí)要考慮施工過(guò)程及可能發(fā)生的非常規(guī)復(fù)雜內(nèi)力，確保安全。