劉雪兵，區(qū) 彤

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510370）

1 工程概況

位于佛山市順德區(qū)某體育中心項(xiàng)目用地狹長(zhǎng)，建筑呈長(zhǎng)方形布局；其中綜合體育場(chǎng)（20 000 座）體量較大，按場(chǎng)地正南北向要求布置于地塊東側(cè)；其余綜合體育館（12 000座）、訓(xùn)練館（2 000座）、游泳館（2 000座及附屬設(shè)施）等單體沿用地長(zhǎng)邊由東向西、從高到低依次展開布置。

各個(gè)體育場(chǎng)館通過(guò)自地面而起的綠化屋頂整合成有機(jī)統(tǒng)一的整體性地景建筑（見圖1）。在北側(cè)布置了商業(yè)配套功能，滿足日常運(yùn)營(yíng)需要。體育中心總建筑面積234 458 m2，項(xiàng)目定位為集體育競(jìng)技、健身休閑、商業(yè)娛樂(lè)、文藝演出為一體的多功能、綜合性、生態(tài)型的大型體育中心。

圖1 某體育中心效果Fig.1 Renderings of a Sports Center

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

本工程抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，地震特征周期值為0.45 s，下部混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.05，鋼結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.02［1］，整體計(jì)算時(shí)采用組阻尼定義不同材料阻尼比計(jì)算分析。

體育場(chǎng)、體育館的抗震設(shè)防類別分為重點(diǎn)設(shè)防類，其余建筑物的抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

本工程風(fēng)荷載按基本風(fēng)壓ωo=0.60 kN/m2（100 年ωo=0.70 kN/m2）取值。本工程4 個(gè)場(chǎng)館屋面大跨度和自重比較輕的鋼結(jié)構(gòu)，屬于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感建筑，屋面鋼結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)時(shí)按100年基本風(fēng)壓取值。

根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣溫情況，鋼結(jié)構(gòu)施工合攏溫度擬定為25±4 ℃，施工階段考慮-25 ℃和+55 ℃的施工溫差荷載。游泳館和綜合體育場(chǎng)考慮±35 ℃溫度作用，其余鋼結(jié)構(gòu)考慮±30 ℃溫度作用。

3 地質(zhì)條件和地基基礎(chǔ)

3.1 地質(zhì)條件

項(xiàng)目場(chǎng)地大部分為魚塘，上部土體均為軟弱土，軟土平均厚度為20.65 m，下部為泥質(zhì)粉砂巖。場(chǎng)地內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂帶通過(guò)，場(chǎng)地基底穩(wěn)定。工程建設(shè)適宜性較差，需要通過(guò)地基處理或采用樁基礎(chǔ)后，方可進(jìn)行本工程的建設(shè)。

3.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.2.1 地下室設(shè)計(jì)

本工程在體育館、游泳館及商業(yè)底部設(shè)置一層地下室，建筑功能為人防地下室，地下室平面尺寸為542.6 m×183.6 m，為超長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)。

根據(jù)建筑功能和設(shè)備走線要求，在地下室頂板短度方向上布置3 條設(shè)備管溝，管溝面標(biāo)高-2.30 m，如圖2所示。地下室采用框架結(jié)構(gòu)，底板采用隔水板設(shè)計(jì)，板厚500 mm；頂板采用梁板結(jié)構(gòu)。

圖2 地下室頂板示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Basement Roof（mm）

3.2.2 針對(duì)超長(zhǎng)地下室采取的措施

超長(zhǎng)地下室，解決溫度應(yīng)力是設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題主要采取以下3個(gè)方面的措施：

⑴利用現(xiàn)有的設(shè)備管溝，設(shè)置通長(zhǎng)凹槽［2］，將地下室頂板分隔成長(zhǎng)度不大于120 m 的板塊，減小連續(xù)梁板的長(zhǎng)度；同時(shí)在地下室側(cè)壁上對(duì)應(yīng)管溝部位設(shè)置溫度誘導(dǎo)溝，以部分釋放溫度作用。

⑵地下室部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮溫度應(yīng)力的影響，進(jìn)行定量計(jì)算的同時(shí)提高長(zhǎng)方向的混凝土樓板和結(jié)構(gòu)梁的配筋率，提高混凝土抗收縮能力。

⑶混凝土樓面設(shè)置間距30～50 m 的后澆帶，后澆帶采用微膨脹混凝土，減少施工階段的溫度收縮應(yīng)力。利用膨脹混凝土的補(bǔ)償收縮性能，控制結(jié)構(gòu)混凝土由干縮、冷縮、化學(xué)減縮、塑性收縮等原因引起的開裂現(xiàn)象，控制混凝土水化硬化期間由于水泥水化過(guò)程釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和混凝土干縮應(yīng)力［3］。

3.2.3 地基基礎(chǔ)形式

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地淤泥分布廣泛，層厚較厚。針對(duì)本場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)，旋挖灌注樁對(duì)地層適宜性強(qiáng)，單樁承載力較高，但施工期長(zhǎng)。PHC 管樁在經(jīng)濟(jì)性、施工速度、施工便捷、質(zhì)量易于保證等方面具有優(yōu)越性，但單樁承載力比灌注樁低一些。

綜合以上兩種樁型優(yōu)勢(shì)，對(duì)于純地下室部分，柱軸力較小，采用D500×100 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁（PHC-AB樁），樁端持力層為〈4-2〉強(qiáng)風(fēng)化或者〈4-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。對(duì)各場(chǎng)館下部柱，柱軸力較大，采用旋挖灌注樁，樁徑為D1 000～D1 800，樁端持力層為〈4-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

本工程體育館、訓(xùn)練館場(chǎng)地中央以及結(jié)構(gòu)輪廊以外地下室的結(jié)構(gòu)自重（包括頂板面覆土、樁身自重）未能完全平衡地下水作用于底板的水浮力，為滿足建筑物整體抗浮要求及控制底板結(jié)構(gòu)配筋的經(jīng)濟(jì)性，不平衡部分的利用承壓樁兼抗拔使用，以滿足抗浮要求。

4 結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案

本工程場(chǎng)地大部分為魚塘，覆蓋土層由上至下依次為：素填土、流塑～軟塑淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉砂、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖等。素土層平均厚度約2 m，為新近填土，淤泥質(zhì)土層厚1.20～34.00 m，平均厚度為9.07 m。場(chǎng)地土軟弱，大型施工機(jī)械，特別是鋼結(jié)構(gòu)吊裝需要使用的大型吊機(jī)，難以在現(xiàn)有場(chǎng)地上行走。

場(chǎng)地東側(cè)為城際鐵路，南側(cè)、西側(cè)為河涌，北側(cè)為市政道路，施工場(chǎng)地限值因素較多（見圖3）。根據(jù)場(chǎng)地狹長(zhǎng)、地層淤泥深厚，大型施工機(jī)械較難適應(yīng)本工程的特點(diǎn)，綜合考慮建筑效果，做到技術(shù)先進(jìn)、安全適用、方便建造，優(yōu)先選用索承結(jié)構(gòu)體系，以盡量避免適用大型機(jī)械進(jìn)行施工作業(yè)。經(jīng)綜合分析和比較，體育館采用索穹頂結(jié)構(gòu)體系、訓(xùn)練館采用輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)、游泳館采用單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系。體育場(chǎng)因建筑造型受到場(chǎng)地影響，南北兩側(cè)建筑體系過(guò)于單薄，無(wú)法做成相對(duì)規(guī)則的受力形態(tài)，因此體育場(chǎng)采用巨型桁架+V支撐+張弦梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。

圖3 項(xiàng)目用地示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Project Land

5 各體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

5.1 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系

體育場(chǎng)無(wú)地下室，由地上4層（局部5層）看臺(tái)+屋蓋鋼結(jié)構(gòu)組成。

屋面鋼結(jié)構(gòu)平面為近似橢圓，南北側(cè)長(zhǎng)度約為236.5 m，東西兩側(cè)長(zhǎng)度約為228.5 m。最窄處為南北端的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，寬度約23 m。屋面鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高51.29 m，投影面積23 400 m2。

體育場(chǎng)主要采用框架柱來(lái)提供結(jié)構(gòu)的抗側(cè)及抗扭剛度［4］。二層及以下環(huán)向柱跨為8 m，徑向主跨由里往外增大，最大約10 m；二層以上最外圈混凝土柱因建筑要求，采用隔一抽一的方式布置。柱混凝土強(qiáng)度C50～C35，典型框架柱截面D800，800 mm×800 mm，1 500 mm×1 200 mm。

體育場(chǎng)由于場(chǎng)地紅線限制原因周邊支撐體系不完整，形狀不規(guī)則，因此結(jié)合建筑造型采用內(nèi)圈巨型桁架+巨型格構(gòu)柱支撐結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)受力，避免單臂懸挑結(jié)構(gòu)。屋面鋼結(jié)構(gòu)傳力路徑為屋面檁條?張弦網(wǎng)格（南北連廊）?內(nèi)（外）環(huán)桁架?格構(gòu)柱、柱腳萬(wàn)向支座→看臺(tái)結(jié)構(gòu)混凝土柱?灌注樁基礎(chǔ)。支座間環(huán)向框架梁最大跨度為18 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，主要截面為500 mm×800 mm，500 mm×1 000 mm，700 mm×1 500 mm。

格構(gòu)柱東西兩側(cè)間距為137.38 m，南北兩側(cè)間距分別為104.9 m 和70.0 m，平面尺寸約為5.5 m×6.5 m，截面采用φ900×40（Q420GJB）。鋼格構(gòu)柱在二層（5.5 m）平臺(tái)后采用埋入式柱腳剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。通過(guò)16 個(gè)萬(wàn)向鉸支座與混凝土看臺(tái)連接。

內(nèi)環(huán)巨型倒三角桁架，桁架高度為7～10 m，寬度為6 m；通過(guò)分布在南北兩側(cè)的8 根巨型鋼格構(gòu)柱支撐，為屋蓋鋼結(jié)構(gòu)提供充分的抗側(cè)剛度（見圖4）。

圖4 體育場(chǎng)整體模型軸側(cè)圖Fig.4 Axial Side View of Overall Model of Stadium

結(jié)合建筑造型，在東西看臺(tái)頂部屋蓋外側(cè)布置結(jié)構(gòu)桿件，屋面桿件、外挑造型桿件與支撐屋蓋柱采用桿件相互連接，形成穩(wěn)定的外環(huán)桁架。

內(nèi)外圈桁架之間采用張弦網(wǎng)格體系進(jìn)行連接，網(wǎng)格跨度為28～38 m，撐桿高度為3～4 m（見圖5）。網(wǎng)格梁采用箱型1 000×400×16×20 或箱800×400×16×20 交叉布置；網(wǎng)格下部布置φ85 高釩拉索（預(yù)拉力1 000～1 200 kN），形成張弦網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，為大跨度網(wǎng)格提供足夠的豎向剛度。

圖5 綜合體育場(chǎng)西看臺(tái)結(jié)構(gòu)單元示意圖（東看臺(tái)對(duì)稱）Fig.5 Structural Unit Diagram of the West Stand of the Comprehensive Stadium（Symmetrical in the East Stand）

5.2 體育館結(jié)構(gòu)體系

體育館主館±0.000 以上結(jié)構(gòu)與綠化屋面通過(guò)抗震縫分開形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，體育館內(nèi)部看臺(tái)與外圍V撐完全分開，形成房中房。

體育館內(nèi)部看臺(tái)結(jié)構(gòu)不設(shè)置抗震縫。體育館下部采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，橢圓形，平面尺寸為119 m×138 m?；炷敛糠纸Y(jié)構(gòu)布置主要采用單向次梁、局部十字梁布置。

支撐屋面鋼結(jié)構(gòu)斜柱截面尺寸1 200 mm×2 200 mm，普通圓柱柱截面為D800。首層及二層柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，其他層柱強(qiáng)度等級(jí)C35，梁板強(qiáng)度等級(jí)C30。主要跨度6～8 m。

體育館屋面鋼結(jié)構(gòu)采用橢圓拋物面索穹頂結(jié)構(gòu)，其中支座間長(zhǎng)軸方向的結(jié)構(gòu)凈跨124 m，短軸方向的結(jié)構(gòu)凈跨105 m，屋面鋼結(jié)構(gòu)投影面積10 512 m2。

結(jié)構(gòu)矢高8.1 m，長(zhǎng)向矢跨比1/15，短軸矢跨比1/13。

屋面結(jié)構(gòu)從內(nèi)往外布置3 圈環(huán)索（見圖6）。索穹頂?shù)牟妓鞣绞降谝?、第二圈采?6 等分Geiger 型［5］，第三圈采用Levy 方式分叉為32 等分的形式（見圖7），既避免脊索等分太密造成建筑不美觀，又避免外圈檁條的跨度過(guò)大，同時(shí)從受力形式上提高索穹頂?shù)膫?cè)向剛度且避免橢圓形長(zhǎng)短軸環(huán)梁造成的索力不均。

圖7 綜合體育館結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.7 Structural Section of Comprehensive Gymnasium

屋面鋼結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外兩道環(huán)梁布置，內(nèi)圈環(huán)梁（箱型1 800×1 500×45×45）提供拉索絕大部分剛度，外圈環(huán)梁（箱型600×800×30×30）為屋面構(gòu)件封閉環(huán)梁，兩道環(huán)梁通過(guò)鋼箱梁（箱型600×250×20×20）V 形布置連成一個(gè)環(huán)形平面桁架，加強(qiáng)了環(huán)梁的平面剛度。

抗側(cè)力構(gòu)件分為外圈V 柱和內(nèi)圈8 個(gè)大V 柱，形成兩道抗側(cè)力體系；外圈環(huán)梁、首層混凝土結(jié)構(gòu)與中部外圈V 撐形成一個(gè)閉合受力體系（見圖7），有效地控制了整體扭轉(zhuǎn)［6］；結(jié)構(gòu)特征值分析結(jié)果表明，前30階振型未出現(xiàn)因周圈剛度不足產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)，均為環(huán)梁以內(nèi)的索穹頂屋蓋的豎向振型密集，符合大跨度索穹頂?shù)恼駝?dòng)特點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)整體在D+L+側(cè)向風(fēng)作用下最大水平位移為53 mm，最大位移出柱高14.44 m，相對(duì)位移比為1/276，外幕墻處相對(duì)位移比1/413，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》水平側(cè)移要求。內(nèi)圈V柱φ（1 000～800）×35，外圈V柱φ（750～550）×30。索穹頂主受力索脊索采用D110～130 高釩索，環(huán)索采用φ85～120 高強(qiáng)密封索，斜索采用φ80～30高釩索。

5.3 訓(xùn)練館結(jié)構(gòu)體系

訓(xùn)練館屋蓋投影尺寸約為89.7 m×75.0 m，混凝土看臺(tái)頂點(diǎn)高度為10.8 m，屋面最高點(diǎn)高度為25 m。

地上兩層混凝土看臺(tái)，結(jié)構(gòu)形式為兩層框架結(jié)構(gòu)，主要抗側(cè)力構(gòu)件為框架柱?？磁_(tái)框架結(jié)構(gòu)與鋼屋蓋周邊V 形鋼柱脫離分開，北側(cè)看臺(tái)結(jié)構(gòu)與綠化屋面共用混凝土柱（見圖8），訓(xùn)練館看臺(tái)規(guī)模較小且各塊看臺(tái)的跨度、弧度均不同，經(jīng)比較分析，從工程造價(jià)上考慮，訓(xùn)練館看臺(tái)板采用現(xiàn)澆混凝土看臺(tái)板。

圖8 訓(xùn)練館結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖Fig.8 Structural Axis Side View of Training Hall

訓(xùn)練館屋蓋采用輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)體系。由剛性外環(huán)梁柱、內(nèi)拉環(huán)、索桁架構(gòu)成［7］，屬于預(yù)應(yīng)力自平衡的全張力結(jié)構(gòu)體系。主結(jié)構(gòu)共有24 榀索桁架，從內(nèi)拉環(huán)中心呈輻射狀布置。

索桁架長(zhǎng)軸直徑為89 m，短軸半徑為74 m，如圖9 所示。標(biāo)高范圍為10.442～18.742 m，跨中標(biāo)高為18.742 m，短向矢跨比為4.6/74=1/16.1，長(zhǎng)向矢跨比為4.6/89=1/19.3。其中上徑向索、下徑向索采用密封索，環(huán)索和屋面構(gòu)造索采用高礬鋼索，撐桿采用圓鋼管。環(huán)索共設(shè)置3 環(huán)，每一環(huán)又分為上下環(huán)；每榀索桁架之間環(huán)索斷開，每一環(huán)由24 根單根拉索串聯(lián)成環(huán)狀。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)主受力索下弦索采用φ110 高強(qiáng)密封索，上弦索采用φ100密封索，上下環(huán)索采用φ60高釩索，屋面環(huán)索采用φ30高釩索。

圖9 訓(xùn)練館結(jié)構(gòu)剖面Fig.9 Structural Profile of Training Hall

屋蓋的支撐體系和抗側(cè)力體系由外圍V 撐和屋面環(huán)梁共同組成。外圍V 撐部分支撐于首層，部分支撐于綠化斜坡屋面結(jié)構(gòu)上。截面均采用梭形變截面鋼柱，截面為φ500～800～500×t30，鋼柱兩端采用鉸接設(shè)計(jì)，下端設(shè)置萬(wàn)向球型鉸支座，有效減少上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的相互影響。屋面受壓環(huán)梁采用箱型梁，其截面為B1 000×1 500×40，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為Q355B。

5.4 游泳館結(jié)構(gòu)體系

游泳館屋面鋼結(jié)構(gòu)采用單層馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，平面為橢圓形，尺寸為114×76.5 m。索網(wǎng)標(biāo)高范圍為12.85～20.85 m，跨中標(biāo)高為16.85 m。馬鞍形索網(wǎng)短向矢跨比為1/17.75；長(zhǎng)向矢跨比為1/27.25。

游泳館屋蓋結(jié)構(gòu)基于建筑馬鞍形曲線造型的設(shè)計(jì)構(gòu)思經(jīng)計(jì)算分析后發(fā)展起來(lái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用大面積的單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，屋面系統(tǒng)采用3 層PTFE 膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分別為外膜、內(nèi)膜以及吸音膜組成，內(nèi)外膜中部形成空腔，隔絕內(nèi)外溫度、濕度的交換，起到遮陽(yáng)、保溫、隔熱的作用；室內(nèi)吊頂采用A 級(jí)阻燃吸音膜，滿足室內(nèi)效果和耐火極限要求。

馬鞍形邊緣支承體系為單層索網(wǎng)屋面成型提供了良好的條件，能夠使承重索和穩(wěn)定索受力均勻。游泳館承重索方向馬鞍形高差約7.650 m，為單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了良好的豎向剛度。

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由兩組曲率相反的索構(gòu)成，向下凹的承重索縱索采用2φ65高強(qiáng)密封索（預(yù)拉力2 300 kN），索網(wǎng)間距為4.5 m，承受屋面恒載和向下的活載；向上凸的拉索為穩(wěn)定索采用2φ45高強(qiáng)密封索（預(yù)拉力1 300 kN），索網(wǎng)間距為4.5 m，承受風(fēng)荷載引起的向上的吸力［8］。

屋面鋼結(jié)構(gòu)的支撐體系和抗側(cè)力體系由外圍V支撐和屋面環(huán)梁共同組成［9］。屋面支撐體系為場(chǎng)館外圍V支撐，東側(cè)4根V支撐于首層，西側(cè)8根V支撐于綠化斜坡屋面結(jié)構(gòu)，南北兩側(cè)V 支撐于二層混凝土結(jié)構(gòu)上（見圖10），截面均采用變截面鋼柱，屋面環(huán)梁采用焊接矩形鋼管梁。環(huán)梁、混凝土結(jié)構(gòu)以及外圈V 撐形成一個(gè)閉合的馬鞍形整體，有效地控制了整體扭轉(zhuǎn)。

圖10 綜合游泳館整體計(jì)算模型Fig.10 Overall Calculation Model of Comprehensive Swimming Pool

6 結(jié)語(yǔ)

⑴ 本文介紹了某體育中心項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。針對(duì)場(chǎng)地狹長(zhǎng)、地層淤泥深厚，大型施工機(jī)械較難適應(yīng)本工程的特點(diǎn)，結(jié)合各單體建筑造型以及功能要求，下部混凝土采用框架結(jié)構(gòu)、預(yù)制看臺(tái)板體系，屋蓋鋼結(jié)采用了索穹頂、單層索網(wǎng)、輪輻式雙層索網(wǎng)以及張弦梁等索承結(jié)構(gòu)體系。

⑵體育場(chǎng)采用8 個(gè)巨型格構(gòu)柱為屋蓋整體結(jié)構(gòu)提供必要的抗扭剛度和側(cè)向剛度；體育館、訓(xùn)練館以及游泳館采用沿屋蓋周邊布置V 型柱，形成一個(gè)閉合的整體結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)提供較大的抗扭剛度和滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》要求的抗側(cè)剛度。

⑶根據(jù)建筑外形及功能要求，本工程采用了多種形式的索承結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)綜合分析，達(dá)到了安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、美觀以及高效的材料利用率的目標(biāo)，為大跨度索承結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)的應(yīng)用起到了一定的推動(dòng)作用。筑工業(yè)出版社，2010.