盛 平， 張龑華， 甄 偉， 王 軼， 趙博堯， 張 磊

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概況

北京工人體育場于1956年設(shè)計，1958年建成，為新中國成立十周年的十大建筑之一，是新中國體育史的見證者[1]。原北京工人體育場(圖1)整體為橢圓形建筑，結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上共四層，無地下室，總建筑面積約80 000m2。

圖1 原北京工人體育場實(shí)景圖

原北京工人體育場為綜合體育場，由于2023年亞洲杯足球賽將在此舉行開、閉幕比賽，因此需將其改造為專業(yè)足球場。為此，體育場內(nèi)將不設(shè)田徑跑道，而將原橢圓形場地改為矩形足球場地，看臺座位的設(shè)置也需滿足專業(yè)足球場的要求。與此同時，北京工人體育場原設(shè)計未考慮抗震設(shè)防，結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度也相對較低，基礎(chǔ)為木樁加毛石基礎(chǔ)。對這一已使用超過60年的標(biāo)志性建筑，要使其滿足高等級國際足球比賽的需求，其改造設(shè)計工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文將對結(jié)構(gòu)改造設(shè)計過程中的設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 改造要求及問題

2.1 改造要求

本次改造的主要要求如下：

(1)看臺重排：進(jìn)行2023年亞洲杯足球賽開、閉幕式的球場總坐席數(shù)需不少于65 000座，同時為保證觀賽舒適性，座位寬度、間距、視角等要求均有所提高，場心形狀的變化也導(dǎo)致如今的看臺結(jié)構(gòu)不能滿足使用要求。為此需將看臺和足球場草坪均向下延伸至-13.8m，同時將看臺向上延伸，突破原屋頂高度。

(2)增設(shè)罩棚：為滿足高等級足球比賽觀賽舒適性的需求，同時有利于足球場草坪采光通風(fēng)，體育場上方需增設(shè)完全遮蔽觀眾席且中部開口的罩棚。

(3)尊重歷史：對歷史建筑的改造應(yīng)盡量保留原有建筑風(fēng)貌，留住城市的記憶，特別是建筑外立面應(yīng)盡可能維持原貌，屋頂鋼結(jié)構(gòu)罩棚的增設(shè)也應(yīng)盡可能不顯露。圖2為北京工人體育場初版改造方案鳥瞰圖，圖3為與之對應(yīng)的剖面示意圖，可見屋頂鋼結(jié)構(gòu)罩棚幾乎與建筑檐口相平。

圖2 北京工人體育場初版改造方案鳥瞰圖

圖3 北京工人體育場初版改造方案剖面圖

2.2 改造問題

此建筑方案基本能夠滿足足球場的使用需求，但其結(jié)構(gòu)改造面臨以下幾方面問題。

(1)8度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)難以滿足

原北京工人體育場于1990年亞運(yùn)會和2001年大運(yùn)會期間進(jìn)行過結(jié)構(gòu)加固[2-3]，當(dāng)時未考慮地震荷載的影響；在2008年奧運(yùn)會前進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造時，考慮到體育場已使用近50年的實(shí)際情況，抗震加固已難以達(dá)到8度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此最終按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GBJ 11-89)中7度抗震設(shè)防和12年使用年限(2020年已期滿)的要求進(jìn)行抗震加固[4]。

前述歷次對北京工人體育場的結(jié)構(gòu)加固大都保留了原結(jié)構(gòu)，采用的主要加固方法有加大截面、粘貼鋼板、粘貼碳纖維、采用體外預(yù)應(yīng)力、設(shè)置阻尼器等等[4-6]。前述加固已應(yīng)用了大多數(shù)常規(guī)加固手段，繼續(xù)加固難度很大?，F(xiàn)改造加固不僅要滿足專業(yè)足球場大幅提高的使用功能要求，還要達(dá)到現(xiàn)行的抗震加固標(biāo)準(zhǔn)中的8度設(shè)防要求。

(2)結(jié)構(gòu)安全性能低

相關(guān)單位于2018年對北京工人體育場重新進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測鑒定，結(jié)果表明梁、板、柱混凝土強(qiáng)度在13～18MPa之間，鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值為240MPa，檢測鑒定后判斷北京工人體育場房屋安全性鑒定等級為Deu級，說明房屋結(jié)構(gòu)安全性嚴(yán)重不符合鑒定標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求，已經(jīng)嚴(yán)重影響整體安全，建筑抗震能力整體嚴(yán)重不符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。

(3)基礎(chǔ)及外圍框架加固代價高

由于看臺排布改動較大，體育場內(nèi)部框架需全部拆除，而依據(jù)建筑改造方案，外圍框架及建筑做法需要保留，并新增地下室結(jié)構(gòu)。一方面，原體育場外圍框架柱下采用木樁加毛石砌筑的獨(dú)立柱基礎(chǔ)，基礎(chǔ)整體性差且埋深淺，新增的地下室對原體育場外圍地下室基礎(chǔ)的影響很大；另一方面，新增的屋頂鋼結(jié)構(gòu)罩棚使得外圍柱負(fù)擔(dān)的荷載加大，外圍框架和基礎(chǔ)需進(jìn)行加固，費(fèi)用較高。

(4)外立面問題

體育場經(jīng)過多次改造加固，立面外形以及構(gòu)件尺寸已與原體育場相差較多，增設(shè)的阻尼器及鋼支撐等顯著影響了體育場外立面的整體效果，見圖4。經(jīng)過對各方面因素的綜合考慮，最終決定將北京工人體育場按復(fù)建原則進(jìn)行設(shè)計，盡量保留原建筑風(fēng)貌，滿足專業(yè)足球場的要求，同時大幅延長體育場的使用壽命。

圖4 體育場外立面對比

3 整體復(fù)建方案

體育場復(fù)建方案為地下兩層，地上六層，檐口高度為26.39m，屋頂最高點(diǎn)標(biāo)高為47m，平面尺寸(長×寬)約為280m×213m，改造后的外形尺寸和建筑檐口高度與原體育場基本保持一致。體育場采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，設(shè)計使用年限為100年(耐久性)，屋頂設(shè)置中部開口的鋼結(jié)構(gòu)罩棚，改造后的體育場效果圖見圖5，體育場1層頂板平面布置圖見圖6，罩棚鋼結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖7，結(jié)構(gòu)剖面布置圖見圖8。

圖5 改造后工人體育場效果圖

圖6 體育場1層頂板平面布置圖

圖7 體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖8 體育場結(jié)構(gòu)剖面布置圖

本次改造復(fù)建對工人體育場初始設(shè)計中的3個遺憾[7]進(jìn)行積極響應(yīng)，力爭讓復(fù)建后的體育場做到安全、適用、美觀。

(1)原體育場看臺面層防護(hù)措施不夠。混凝土看臺結(jié)構(gòu)長期暴露在酷暑嚴(yán)寒的大氣作用下，具有較高的開裂風(fēng)險。為此，看臺結(jié)構(gòu)按雙層設(shè)計：下層為整體鋼筋混凝土現(xiàn)澆層，上層為預(yù)制看臺層，上下層間完全脫開。一方面，上部預(yù)制看臺長度短，溫度效應(yīng)小，開裂風(fēng)險低；另一方面，預(yù)制看臺對下部受力結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，顯著減小了環(huán)境作用對受力結(jié)構(gòu)的影響。

(2)原體育場伸縮縫太多。體育場最大周長約794m，原結(jié)構(gòu)沿徑向設(shè)置24道伸縮縫，形成24組長約30m的相互獨(dú)立的框架結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)整體性差，環(huán)向抗震能力弱[4]，抗連續(xù)倒塌能力差。另外，伸縮縫處防水失效風(fēng)險高[6]?？梢姡瑴p少甚至完全取消伸縮縫是保證結(jié)構(gòu)整體安全性和防水可靠性的重要措施。

(3)原體育場高支模施工困難。雖然當(dāng)代施工技術(shù)發(fā)展日新月異，但在結(jié)構(gòu)選型(特別是罩棚)時考慮施工便捷性并合理減少用鋼量仍能為簡化施工帶來巨大的時間和經(jīng)濟(jì)效益。

混凝土看臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于取消伸縮縫形成最長達(dá)近800m的環(huán)狀超長混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度作用下具有較大的開裂風(fēng)險。為此，在體育場梁板中沿環(huán)向施加預(yù)應(yīng)力，并根據(jù)溫度應(yīng)力分析結(jié)果對預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行優(yōu)化。降溫工況下看臺混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分布見圖9。從圖9可得，1層頂板因受地下室頂板約束作用強(qiáng)，在降溫時形成的拉力較大，故施加預(yù)應(yīng)力程度高，1層以上頂板施加的預(yù)應(yīng)力視分析情況酌情減小。根據(jù)溫度作用下內(nèi)邊界為圓角矩形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在內(nèi)圓角附近拉力較大的特點(diǎn)，在局部區(qū)域加大沿環(huán)向的普通拉通鋼筋配置量。屋檐處清水混凝土造型環(huán)帶采用新型誘導(dǎo)縫解決開裂問題，見第4.5節(jié)。

圖9 降溫工況下看臺混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分布/MPa

罩棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需滿足特定的視覺效果和使用功能。為盡可能弱化新增罩棚對原建筑外立面的影響，罩棚頂標(biāo)高不能太高；為保證觀眾觀看屋頂360°環(huán)屏幕時視線不受遮擋，排除了單層拉索的柔性屋蓋方案(圖10)；采用兩級拉索的弦支穹頂方案雖然能解決環(huán)屏幕的視線問題(圖11)，但其繁復(fù)的視覺效果破壞了建筑方案中莊重簡練的線條感。綜合比選后決定采用單層開口拱殼的剛性屋蓋方案以適應(yīng)罩棚標(biāo)高逐漸提升和避免遮擋實(shí)現(xiàn)的需求，并實(shí)現(xiàn)既定的建筑效果。

圖10 單層索方案視線遮擋分析圖

圖11 雙層拉索弦支穹頂方案視線遮擋分析圖

罩棚的建筑意象為與故宮門窗槅心窗花相呼應(yīng)的“三交六椀”造型(圖12)。經(jīng)過對剛性罩棚結(jié)構(gòu)形式的多方案比選，最終選用了中心開口的單層拱殼方案，采用滿布的小截面箱形斜撐保證罩棚結(jié)構(gòu)的整體性并成為拱肋的側(cè)向支撐，與建筑效果相匹配的同時也減少了二次圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝工作量。圖13為罩棚結(jié)構(gòu)的豎向傳力體系示意圖，通過拱肋將豎向荷載向與拱底相連的柱腳傳遞，并由2道內(nèi)壓力環(huán)與1道外拉力環(huán)平衡拱頂、底的水平荷載。拱肋底部與混凝土看臺間通過設(shè)置摩擦擺隔震支座釋放彎矩和水平力，大跨屋蓋結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計思路見第4.1節(jié)。

圖12 故宮門窗“三交六椀”菱花圖案及罩棚三維示意圖

圖13 罩棚結(jié)構(gòu)主要豎向傳力體系示意圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

本項目設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)包括：高烈度區(qū)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)直接分析法設(shè)計、考慮設(shè)計-施工全過程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、新型加勁肋增強(qiáng)高瘦型箱形截面鋼構(gòu)件腹板局部穩(wěn)定性技術(shù)、超長混凝土結(jié)構(gòu)新型誘導(dǎo)縫技術(shù)。

4.1 大跨屋蓋結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計

屋蓋結(jié)構(gòu)殼面短軸跨高比約為12∶1，為避免豎向荷載下屋蓋對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大推力，在拱底設(shè)置支座釋放水平力，并同時達(dá)到隔震、釋放溫度內(nèi)力的多重目的。由于滿布交叉斜撐，故罩棚結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度很大，構(gòu)成了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計的基本條件。

對滑板支座、橡膠支座、摩擦擺支座進(jìn)行了比選，基于以下原因選擇了摩擦擺支座：1)摩擦擺支座通過改變曲面半徑即可方便地調(diào)節(jié)屋蓋結(jié)構(gòu)的水平振動周期，可設(shè)計性強(qiáng)；2)摩擦擺支座具有一定的起滑力，通過合理設(shè)計可以抵抗風(fēng)荷載作用；3)摩擦擺支座具有一定的回復(fù)力，引起支座滑動的作用力消失后有助于實(shí)現(xiàn)支座復(fù)位；4)受制于橡膠支座的第二形狀系數(shù)，采用摩擦擺支座有利于減小支座尺寸。

本項目在每根拱肋底部設(shè)置摩擦擺隔震支座，摩擦材料采用超高性能聚四氟乙烯，靜摩擦系數(shù)為0.035，動摩擦系數(shù)為0.015～0.025。為減小大震作用下的屋蓋結(jié)構(gòu)水平位移，在墩柱與外環(huán)梁間設(shè)置黏滯阻尼器，阻尼系數(shù)為130kN/(mm·s-1)，阻尼指數(shù)為0.3。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)減隔震裝置連接示意圖如圖14所示。

圖14 減隔震裝置連接示意圖

基于對布置減隔震裝置前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析可見，布置減隔震裝置后的拱底水平推力減小約96%，溫度作用下內(nèi)外環(huán)梁及拱肋的軸力減小約97%，中震作用下屋蓋結(jié)構(gòu)雙向水平地震力減小約80%，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)直接分析法設(shè)計技術(shù)

軸壓和壓彎鋼構(gòu)件的常用設(shè)計方法為計算長度法，根據(jù)支座形式選用不同的計算長度系數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定承載力設(shè)計。如下因素導(dǎo)致拱肋不能直接選用理想邊界條件下的計算長度系數(shù)：1)柱底摩擦擺隔震支座和外環(huán)梁限制殼體外張變形的約束剛度未知；2)內(nèi)環(huán)桁架約束殼體內(nèi)縮變形、開口殼體下凹變形和拱肋端部轉(zhuǎn)角變形的約束剛度均未知；3)拱軸力沿拱肋全長分布不均，拱截面也多次變化，無法直接確定采用歐拉法反算計算長度系數(shù)時，所需的軸力和截面剛度的取值部位。故采用直接分析法對拱肋穩(wěn)定承載力進(jìn)行評估。

參照相關(guān)規(guī)范[8-10]規(guī)定，對結(jié)構(gòu)初始缺陷進(jìn)行模擬，要點(diǎn)如下：1)將構(gòu)件四等分以模擬弧拱和初始缺陷變形；2)以結(jié)構(gòu)前幾階低階整體屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)整體幾何初始缺陷模式，見圖15，并添加與之對應(yīng)的構(gòu)件幾何初始缺陷模式及荷載分布模式(在上抬變形區(qū)域布置活載，在下壓變形區(qū)域不布置活載)；3)結(jié)構(gòu)整體初始缺陷最大幅值選取最大懸挑長度的1/150；4)考慮幾何非線性的影響；5)考慮殘余應(yīng)力和材料非線性的影響，采用構(gòu)件綜合缺陷代表值。

圖15 直接分析法整體初始缺陷施加模式

采用直接分析法對屋蓋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進(jìn)行評估，得到不同缺陷及荷載分布模式下的彈性全過程分析安全系數(shù)最小值為4.6>4.2，彈塑性全過程分析安全系數(shù)最小值為2.1>2.0，均滿足設(shè)計要求。

4.3 考慮設(shè)計-施工全過程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本工程在設(shè)計階段與施工單位就施工方法進(jìn)行討論，并確定采用“內(nèi)環(huán)桁架和外環(huán)梁分段安裝、主拱肋整根吊裝、交叉斜撐嵌補(bǔ)”的施工方案，單榀拱肋安裝時，內(nèi)環(huán)尚未成型，場心地面固定的高約50m的胎架無法承擔(dān)由拱肋自重產(chǎn)生的推力，故合攏前的“拱肋”實(shí)為受彎梁。以某榀拱肋為例，考慮與不考慮施工次序下，拱肋的彎矩數(shù)值甚至彎矩方向都有很大差別。由于本屋蓋結(jié)構(gòu)為剛性屋蓋，因此結(jié)構(gòu)自重在所有荷載中所占比例較大，設(shè)計過程中不能忽略施工次序的影響。

考慮和不考慮施工次序的典型拱肋彎矩示意見圖16。從圖16可得：考慮施工次序后，在拱肋自重作用下中部拱肋承受正彎矩，內(nèi)環(huán)桁架處拱肋承受負(fù)彎矩。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)罩棚合攏后，在二次結(jié)構(gòu)自重、活荷載、雪荷載作用下中部拱肋承受負(fù)彎矩，內(nèi)環(huán)桁架處拱肋承受正彎矩。故考慮施工次序后的拱肋彎矩絕對值減小，對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

圖16 考慮和不考慮施工次序的典型拱肋彎矩示意圖

4.4 新型加勁肋增強(qiáng)高瘦型箱形截面鋼構(gòu)件腹板局部穩(wěn)定性技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)挺拔的視覺效果，罩棚構(gòu)件均采用高瘦型箱形截面。相比于直接增大腹板厚度，采用加勁肋增強(qiáng)腹板局部穩(wěn)定性有利于節(jié)省用鋼量。采用傳統(tǒng)的加勁肋形式將面臨以下問題。

(1)封閉橫肋：與高瘦型箱形構(gòu)件四面壁板焊接時缺乏操作空間(交叉斜撐構(gòu)件寬度僅300mm)，且在橫肋間距不超過構(gòu)件高度時才能達(dá)到較好的加強(qiáng)效果[10]，用鋼量大。

(2)一字形通長縱肋：按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[8]要求，一字形通長縱肋的單側(cè)外伸長度需大于10倍腹板厚度。為保證建筑效果，本項目無法設(shè)置外縱肋，故構(gòu)件內(nèi)部凈寬需大于20倍腹板厚度，這已超過大部分構(gòu)件的寬度。

采用僅在兩側(cè)腹板布置1～2道通長T形縱向加勁肋的方式解決上述問題。由于左右兩側(cè)T形縱向加勁肋間無連接，因此可將肋板分別與各側(cè)腹板焊接后，將帶肋腹板與翼緣焊接形成箱形截面，施工簡單快捷；由于T形肋的抗彎剛度比一字形肋大，布置T形肋可以達(dá)到更明顯的防局部屈曲效果。高瘦型箱形構(gòu)件T形肋布置如圖17所示。通過有限元分析并采用直接分析法考慮加勁肋的初始缺陷，驗(yàn)證了加勁肋的加強(qiáng)效果，保證了典型高瘦型箱形構(gòu)件T形肋的布置提高腹板局部穩(wěn)定性的可靠性。加肋前后軸壓構(gòu)件應(yīng)力分布圖見圖18。

圖17 典型高瘦型箱形構(gòu)件T形肋布置圖

圖18 加肋前后軸壓構(gòu)件應(yīng)力分布圖/MPa

4.5 超長混凝土結(jié)構(gòu)新型誘導(dǎo)縫技術(shù)

屋檐處存在長達(dá)794m的清水混凝土造型環(huán)帶，見圖19，其直接暴露于室外，易受環(huán)境溫度的影響，同時又具有較高的視覺效果要求，設(shè)計難大。為此，研發(fā)帶變形鋼筋的新型誘導(dǎo)縫，通過變形鋼筋的伸縮能力在誘導(dǎo)縫處釋放溫度內(nèi)力。

圖19 清水混凝土屋檐環(huán)帶示意圖

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受拉時，由于帶變形鋼筋的新型誘導(dǎo)縫處開槽導(dǎo)致截面削弱，而使混凝土首先在此處開裂，彎折鋼筋在受拉過程中通過拉直變形使鋼筋應(yīng)力不顯著增長，從而保證了非誘導(dǎo)縫部位結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大拉力，避免或延緩非誘導(dǎo)縫部位結(jié)構(gòu)開裂。實(shí)際工程中，將新型誘導(dǎo)縫有規(guī)律地均勻布置于屋檐環(huán)帶，由于裂縫分布整齊，即使誘導(dǎo)縫處輕微開裂，也基本不影響視覺效果。

5 結(jié)語

經(jīng)比選，北京工人體育場改造最終按復(fù)建原則進(jìn)行設(shè)計，屋頂新增的鋼結(jié)構(gòu)罩棚采用了中部開口的大跨單層拱殼方案，基本保留了原體育場的建筑風(fēng)貌，滿足了高等級專業(yè)足球賽事的使用需求，并通過所述的多項設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到了安全、優(yōu)雅、適用、經(jīng)濟(jì)的目的。期望改造工程讓北京工人體育場重新煥發(fā)生機(jī)，更好地服務(wù)于北京人民和中國的足球體育事業(yè)！