某中型体育馆的设计与探讨

刘玉峰

（中国建材国际工程集团有限公司，蚌埠 233018）

随着奥运会的成功申办，体育运动在我国得到越来越广泛的普及。全国各地兴建了大量的体育场馆，健身运动也越来越得到全国人民的重视。随着中国城市化的快速发展，还将有越来越多的地方会兴建自己的体育场馆和体育中心。由于体育建筑具有其自身的特殊性，没有经验的人初次设计往往会遇到一些难题或者考虑不周的地方。笔者有幸设计了一座中型体育场馆，积累了一些设计经验，在这里与大家一起分享。

1 工程简介

该体育馆位于某市新城区大学城内，是一个具有5 000座位的多功能的综合性体育馆，可进行篮球、排球、羽毛球、手球等项目的比赛，也可进行大型集会、文艺演出、体育教学和训练等。该工程总建筑面积约为14 000m2，其中比赛大厅约6 000m2，训练室约800m2。在5m 标高处设有1层楼面，将看台分为上下两部分看台，同时在1层楼面及首层看台的下面设有训练室、运动员休息室、贵宾室、采访室、办公用房、卫生间及设备用房等。1层楼面主要为疏散、活动场所，2层看台设有卫生间和设备用房。在10.78m 标高局部设有控制室，建筑总高度24m。整个体育场馆的屋盖结构由周圈钢筋混凝土结构框排架支撑，室内所有看台和楼面均为混凝土现浇结构，屋盖为75.1m×75.1m 双向正交正放预应力网架。该工程现场实景图，如图1所示。

2 结构体系选型

由于体育馆使用功能对大空间、大跨度及灵活布置的要求，在该建筑中形成了大空间、大平台、大台阶等多种复杂结构的组合。

1）下部结构：支撑看台和楼面的部分采用常见的混凝土框架结构，1层楼面以上因大空间要求采用框排架结构支撑屋盖体系。

2）屋盖体系：由于整个比赛场馆全部在1个大屋盖之下，2个方向跨度为75.1m×75.1m，跨度很大。根据整体结构形式及建筑要求，采取网架是最好的选择。如果采用四角锥网架，用钢量较为节省，但必须采用双层网架才能够满足安全要求，这样导致屋盖拱高过大，最高处会达到6m，从而使得屋盖高度与室内净空的比值过大，使人感觉非常压抑；同时，由于屋面采用玻璃采光顶，双层四角锥网架杆件太多，透光效果也不太好。经过对照比较，最后决定采用双向正交正放预应力网架，虽然用钢量有所增加，但是采用预应力能够有效的减少屋盖的拱高和挠度变形；同时，屋盖杆件的用量也有效地降低，既能满足建筑感官效果，也能更好的满足采光要求。

3 结构计算分析

3.1 计算基本假定

1）混凝土部分由于楼面开有大孔洞，且各部分标高也有变化、不统一，因此不采用各层楼板处刚度无限大的假定，应将各层楼板作为板单元参与计算。

2）网架支座按滑动铰支座考虑，屋盖的所有节点处的杆件连接均按刚接考虑（除支撑与屋盖连接处）。

3.2 计算模型

此次计算模型，见图2、图3。

3.3 结构计算参数

抗震设防烈度：7度（0.10g），Ⅱ类，1组。

温度变化范围：T＋＝＋30 ℃，T－＝－30 ℃。温度线膨胀系数，取1.2×10－5。

主要荷载组合：

1）1.20 恒载＋1.40 活载工况1；

2）1.20 恒载＋1.40 风载工况（下压风）；

3）1.00 恒载＋1.40 风载工况（上吸风）；

4）1.20 恒载＋1.40×0.90 活载工况1 ＋1.40×0.90 风载工况（下压风）；

5）1.20 恒载＋1.20×0.50 活载工况1 ＋1.30 水平地震；

6）1.20 恒载＋1.40×0.70 活载工况1 ＋1.40×0.80 温度荷载。

4 结构计算

设计时需要考虑楼板开大洞的不利影响，加之屋顶网架由于温度变形受限而在支承柱顶产生很大的水平推力，而框架柱的侧移又直接影响到网架结构中杆件的内力分配，两者相互影响。如何将网架与混凝土框架作为一个整体进行分析是本工程的一大难点。目前的SATWE 程序无法做到这一点，一般的网架设计程序也不能对混凝土结构作出准确的分析。但考虑到网架对混凝土结构的影响应主要限于支承柱和环梁，对楼层梁应无太大的影响。因此，在设计时首先对屋架进行简化，用刚度相等的钢梁将屋面荷载传导给下部结构，再用SATWE程序对1～3层混凝土主体结构部分进行设计计算。由于看台部分为斜梁，SATWE 程序难以准确模拟，又抽取单榀框架用PK 程序对斜梁和柱进行复核，再用网架计算程序3D3D 对屋架进行设计，计算时将下部结构按实际情况输入以考虑支座刚度的影响。考虑的荷载主要包括结构自重、屋面板重量、吸声保温材料、马道、灯具、音响等恒载，活荷载，风荷载，雪荷载，温度作用和水平地震作用。选取21种工况组合进行分析，同时亦考虑了活荷载的不利布置对结构的影响，最后采用Midas软件对钢结构计算进行校核。

计算结论：

1）在恒载和活载标准组合作用下结构最大挠度103mm，为跨度的1／730，变形满足要求；

2）下弦钢绞线最大拉应力518 MPa，最小拉应力288 MPa，满足要求；

3）钢结构最大拉应力106 MPa，最大压应力139 MPa，在程序中对钢结构杆件进行设计验算，杆件应力比均小于1，满足要求；

4）地震作用产生的应力很小（最大8 MPa），不起控制作用。

5 设计中应该注意的几处地方

1）大部分体育馆平面尺寸都十分巨大，经常出现超长的现浇结构。

为了防止由于温度变化和混凝土的收缩而对结构产生不利的影响，通常采用以下几种措施：（1）混凝土浇筑设置后浇带分段进行施工。（2）采用专门的预应力措施来防止混凝土开裂。（3）采取能减小混凝土温度变化或者补偿温度收缩的措施。

该工程混凝土部分平面形式为正方形，每边长度为76m，属于超长结构。由于混凝土结构部分基本全处于室内，且考虑结构平面较为规整，因此采用每边设两道UEA－H 膨胀加强带来解决混凝土的温度收缩问题，加强带处的梁板均进行加强处理，施工完毕后起到了不错的效果，经过一个冬夏循环未见结构平面产生收缩裂缝。

2）暖风的新风系统在看台的支撑梁上要开很多直径为150mm 的出风孔，如图4所示。

这些开孔使梁的刚度产生了改变，从而使得梁的内力也发生了一定的变化。通过Ansys软件对开孔梁与无开孔梁的对照模拟分析，可知开孔梁的挠度以及内力均比未开孔的梁有所增大，增加幅度在15%～25%之间。因此在设计中，开孔的位置应当尽量放在梁的中和轴所在区域，且看台支撑梁的配筋和构造也应当进行适当的加强。在靠近支座的部位由于剪力比较大应减少开孔以减少孔洞对梁的抗剪承载力的削弱。作者的经验是在普通支撑梁的支座每边1／6范围内不开孔，仅在跨中2／3范围内进行开孔。对于既是看台梁又是框架梁的梁应当更严格的控制开孔，以免对结构体系造成较大的削弱。对于这种梁，作者建议仅在箍筋的非加密区进行开孔。看过一些别的体育场馆的设计，有的设计者在看台梁上开满了孔洞，有的孔洞甚至开到了支座边上，作者认为这样设计是很不合理的，应当和暖风工程师进行商讨以避免出现这样的情况。

3）该工程的设计中第2层看台梁的下端位于1层框架梁与柱的交接部位，对框架梁的支座部位产生了很大的竖向剪力。为了解决1层梁的抗剪承载力，又不影响结构的外观，梁的内部设置钢骨进行抗剪，起到了很好的效果。

4）支座的设计。针对该工程的结构形式的特点，考虑屋架的施工采用滑移的方法，在结构刚度较大的两端支撑梁上设置了Q70的通长滑轨，以便施工时的滑移安装。同时，这些滑轨在安装结束后又将作为支座来支撑上部结构，因此该工程特别设计了支座来满足该工程的要求。支座设有弹簧，用来协调屋架的竖向变形，以免因竖向变形对屋架支座处的杆件产生弯曲应力。在支座的支撑部位也留有一定的空隙，使得屋架的温度变形能够得到一定的释放，以免在桁架的下弦端部杆件产生过大的温度应力。支座示意图，如图5所示。

5）屋架的设计中考虑1个方向的屋架为整体式，另外1个方向的屋架拆解为杆单元，在现场进行连接将每2榀屋架拼装成1个单元后进行整体滑移。节点单元的做法，如图6所示。对于这样大跨度的空间结构，应当在跨中增设1道滑轨，作为1个支撑点来控制屋架跨中在拼装和预应力张拉前不产生向下的位移，以保证内力与设计的一致性，从而能保证在拆除支撑后2个方向的桁架能够达到很好的协同受力。

6 总结与思考

1）目前大跨度结构的跨度尚没有统一的衡量标准，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m 以上的结构定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。对于大跨度钢结构，结构方案的确定和结构计算模型的选取是结构设计成功与否的关键，一般情况下需要作2次分析，一是屋盖体系钢结构分析，要注意模拟下部结构支座刚度；二是和下部结构（可能是钢筋混凝土结构或钢结构等）整体合模计算分析。

2）因为结构计算中采用了刚节点模型，杆件也承受了一定数量的次生弯矩，尤其是弦杆，影响弯矩大小的因素主要为重力作用及温度作用。与之相对应，我们对弦杆交叉点处进行局部加强并保证在一定的范围内杆件能够有足够的受弯承载力。

3）尽管是大跨结构，因为处于7度抗震区，竖向地震力对屋架影响可以忽略。随着屋架面积的增加，水平地震作用对杆件轴力及弯矩的影响从10%～30%逐步增加。在抗震分析时，总体上，运用连带混凝土结构计算模型的结果要比使用单独的屋架分析要大。这说明屋架位于高处时，应考虑下部支承构件的惯性效应，将屋盖结构与下部结构结合在一起，按共同工作分析。

4）将水平支撑加入整体计算是必要的，因为实际的支撑是参与结构共同作用的。仅从构造上或使用抗震计算结果来确定构件断面及连接是不安全的，尤其对于大跨度结构。

5）计算结果表明以恒载、风荷载及温度作用为主的荷载组合起控制作用，地震作用及活载的影响相对较小。需要注意的是对于大跨度体型特殊的建筑，半跨活荷载对结构的影响非常大，一定要注意进行活荷载不均匀分布的验算。

6）在传统的空间钢结构体系上采用预应力技术，可以通过改善杆件内力峰值或提高刚度来达到节省钢材、减少变形的作用。该工程经过施加预应力和非预应力屋盖的计算比较，采用预应力屋盖，用钢量节省12%，总造价降低5%，且屋架的竖向变形得到了较好的控制。

7）普通钢结构一般只有在超荷载状态下才发生破坏，在卸载状态下是不会有问题的。而预应力钢结构不但在超荷载状态下会发生破坏，而且在不恰当的卸荷载状态下和预应力钢绞线发生破坏时也会发生突发性的破坏，非常危险。因此预应力钢结构在使用中需要返修屋面或者拆除更换一些构件时必须按照修建时所施加预应力的反次序，先卸除荷载，再卸除一部分预应力。由部分预应力破坏时所造成的危害比较有限，但整体性的预应力破坏所造成的危害是极为严重的，由于其特殊性，应当提高预应力钢结构的可靠度指标。

8）对于大跨度钢结构，可采用构造释放和加强刚度2种方法解决温度应力对结构的不利影响。由于温度作用对靠近支座部分的杆件影响很大，温度应力起到控制作用。虽然增加支座约束对抵抗地震力及重力作用是有利的，但是过强的约束不但会在构件中产生较大的温度应力，且对支座产生很大的剪力，在设计中这是一对矛盾现象。因此在设计中应对不同的支座布置进行优化分析比较，选用实用合理的支座，尽可能做到理论计算模型和实际相符。

9）对于大跨度钢结构施工阶段的验算是非常必要的，若采用了不恰当的施工方案，会造成受力模型的改变，从根本上影响结构的安全度。

［1］GB 50010—2002，混凝土结构设计规范［S］.

［2］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［3］JGJ 7—91，网架结构设计与施工规程［S］.