开封体育中心体育场结构设计

车顺利， 张 耀， 贾俊明， 吴 琨， 曾凡生

(中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018)

1 工程概况

开封体育中心是开封市重大民生工程，其建筑外形采用圆形平面，上大下小的弧线造型勾勒出了宋瓷“碗”形，体育场罩棚骨架及建筑表皮勾勒出了菊花花瓣意向。该设计有机地将菊花与宋瓷这些关键设计元素融入体育场建筑形态中，从而形成一个具有开封独特标志性的“菊花瓷”体育场馆。

开封体育中心项目包括体育场和综合体育馆两个建筑单体，建筑效果图见图1。项目位于开封市龙亭区东京大道与十二大街交叉口东北角，场地所处地貌单元属黄河冲积平原，场地土类型为中软场地土，属稳定场地，地段类别为一般地段。

图1 建筑效果图

开封体育中心体育场总建筑面积约4.3万m2，体育场主体主要由看台空间和钢结构罩棚两部分构成，建筑构成示意见图2。本工程不设地下室，东西向看台共5层，标高约24.2m；南北向看台共1层，标高约5.4m；钢结构罩棚顶标高约38.5m。看台观众座位约3万座，看台平面外圆内椭，外沿圆周半径为117.2m，外柱网将圆周80等分。看台内圈环绕比赛场地呈椭圆形布置，看台内侧长轴99m，短轴73m。

图2 建筑构成示意

依据相关设计条件，开封体育中心体育场设计相关参数见表1。按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[1](简称荷载规范)，考虑体育场钢结构罩棚结构对风荷载比较敏感，故风荷载按重现期R=100年考虑，基本风压为0.50 kN/m2。场地粗糙度B类，风压高度变化系数最大值μz取1.52(最高处离地面38.5m)；罩棚端部风振系数βz取2.0，罩棚根部及墙面风振系数βz取1.5，体型系数取1.3。雪荷载按重现期R=100年考虑，基本雪压为0.35kN/m2。

结构的设计相关参数 表1

根据开封气象局近30年统计数据和荷载规范，对基本气温给予修正，本工程考虑±26℃温度作用。本项目基础采用桩基+承台基础形式，依据地勘报告以第⑤层细砂作为桩端持力层。本工程桩基采用先张法预应力混凝土管桩PHC 500 AB100型，桩长20m，单桩竖向承载力特征值为1 200kN。依据甲方任务书及建筑观众席容量等指标，该体育场规模分级指标略大于小型等级指标，属于中型体育场，依据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB/J 50223—2008)[2]第6.0.3条，该体育场抗震设防类别为重点设防类，但该工程不属于大型的公共建筑。结合设计使用年限、结构破坏可能产生的后果以及相关的经济指标，本工程安全等级取为二级。

2 结构设计分析

依据视线平面分级、分区要求，看台东西高、南北低，首层平台标高5.4m，看台最高点至室外地面约24.2m。体育场看台外覆盖了圆环形结构罩棚，罩棚轮廓为半径109.5m(下部)～134.5m(上部)的圆“碗”造型，上大下小，建筑形象犹如大平台上放置的优美菊花纹饰巨碗。罩棚顶面最外沿半径为134.5m，中心圆形开口半径为79.5m。看台罩棚顶面至室外地面约38.5m，由看台外圈柱隔柱支托，共40个支点。

体育场看台采用外圆内椭的平面布置，利用椭圆圆心放射线形成内柱网与外柱网相连，这既能保证比赛场地集约性，也能便于保证体育场外立面均匀、等距、规则的形态，从而形成规则有序的立面元素，有效地控制建筑形体的规则性。体育场罩棚菊花瓣通过标准单元沿360°的圆形路径复制出80个完全相同的标准组件。建筑首层平面图见图3，建筑剖面图见图4，支座示意图见图5。

图3 建筑首层平面布置示意

图4 建筑剖面示意

图5 支座示意图

通过分析相关体育场馆工程[3-8]，大多体育场馆工程采用落地桁架，罩棚结构仅仅覆盖看台区。而本工程依据建筑特点，屋盖罩棚除覆盖看台区，还要作为建筑外形骨架，同时柱顶支托两侧罩棚悬挑均较大，且桁架根部支点不落地。因此，本工程结构设计难点如下：1)钢结构罩棚覆盖面大，体型独特；2)看台为阶梯型，没有明显的结构层，竖向刚度不均匀；3)钢结构罩棚顶部支撑点采用隔柱支托，且南北看台处柱高较大，罩棚根部支点不落地，支托于外围看台框架柱柱侧；4)看台及流线布置导致结构构件标高复杂；5)需保证上部屋盖和下部看台主体结构协同工作。

通过前期定案分析，本项目结构设计首先对钢结构罩棚进行了单榀、整体模型的细化分析，罩棚结构模型见图6。采用YJK和MIDAS Gen两种不同力学模型的结构分析软件，对结构进行整体分析，解决上述结构设计难点中的1，2，4，5相关问题，结构计算模型见图7。通过看台外沿圆周局部柱采用型钢混凝土柱解决上述结构设计难点中2，3相关问题；通过精细化节点设计，解决上述结构设计难点中3，5相关问题。

图6 罩棚结构模型

图7 结构计算模型

通过结构分析，体育场主体结构采用钢筋混凝土框架结构+空间管桁架结构。看台结构采用钢筋混凝土框架结构，局部框架柱采用型钢混凝土柱，屋盖罩棚采用空间管桁架结构。钢筋混凝土框架外沿框架柱间隔上升支托钢结构罩棚。罩棚径向为主桁架，采用倒三角钢管桁架, 支座内外侧悬挑长度分别为30，25m, 每榀约间隔10.8m, 共80榀，其中40榀(奇数轴)由型钢混凝土柱顶的固定球支座连接，另外40榀(偶数轴)由支座处环向桁架支托，结构构件布置示意见图8。

图8 结构构件布置示意

罩棚径向桁架高度由底部4m收至悬挑端1.3m；罩棚平面环向设置环向桁架和环向系杆，环向桁架为平面钢管桁架, 屋面采用阳光板。考虑罩棚桁架网格分布，间隔一定间距设置环向桁架和系杆，结构平面整体均匀布置。考虑局部灯具或相关设备吊载，适当调整局部构件截面，但结构整体布置均匀对称。设计中分别采用YJK和MIDAS Gen 两种软件对结构进行整体内力、位移计算。应用反应谱分析方法进行整体计算时，采用刚性楼板假定；构件设计时采用非强制刚性楼板假定。结构主要计算结果见表2，结构前3阶振型见图9。从表2和图9可知，结构第1阶振型和第2阶振型为平动，第3阶振型为扭转，周期比约为0.69，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[9]中周期比限值0.9。X,Y向结构有效质量参与系数均大于90%，满足设计要求。

结构周期计算结果 表2

图9 结构前3阶振型

分别采用YJK和MIDAS Gen 两种计算软件，对本工程在地震以及风荷载作用下的响应进行了分析计算，结果见表3。从表3中可知，两种计算软件计算的结构动力特性结果基本接近，且各项指标均满足规范[9-10]要求。

反应谱法地震、风荷载响应计算结果 表3

下部看台结构采用钢筋混凝土框架结构，南北向、东西向长度约235m，下部结构未分缝，属于超长混凝土结构。结合施工因素并考虑混凝土的收缩徐变效应，设计中采用设置施工后浇带，楼板采用现浇混凝土楼板，楼板厚度不小于200mm，双层双向配筋，每层各方向钢筋的配筋率不小于0.30%。明确施工需采用跳仓法施工，同时对楼板进行有限元应力补充分析，见图10。从图中可得，受温度影响，楼板应力分布不均匀。在施工图设计时结合分析结果进行加强处理等措施，如：设置后浇带、选择合适水泥、严格控制坍落度、控制水泥用量、控制商品混凝土的水灰比、控制浇灌时间、提高养护质量等措施，减小混凝土收缩及温度应力的不利影响。

图10 楼板板顶升温应力/(N/mm2)

3 关键节点设计

结合本工程建筑特点，钢结构罩棚径向采用空间管桁架，环向设置支托桁架和环向系杆，管桁架连接节点采用相贯连接，工厂或现场进行相关工艺评定，保证焊接质量。主桁架与看台型钢混凝土柱连接节点采用抗震球铰支座以弱化温度应力的影响，通过设计方案对比，对于主桁架支座节点，若采用焊接节点，由于节点加劲板较多，部分加劲板焊接困难，无法保证焊接质量。因此，主桁架支座节点采用铸钢节点，见图11。

图11 主桁架支座铸钢节点

采用ABAQUS软件进行主桁架支座铸钢节点有限元分析，相关分析工况同MIDAS Gen计算模型相关工况，依据计算结果，控制工况取工况1.0恒载+0.98活载+0.84风荷载+1.4温度作用，分析了铸钢节点的承载力和变形性能，见图12。

图12 主桁架支座铸钢节点分析结果

从图12可得，铸钢节点最不利应力约为140MPa，应力比约为0.61；铸钢节点最不利应力位置和变形主要发生在杆件外沿，节点变形很小。因此，本工程铸钢节点整体应力和变形不大，铸钢节点承载力符合受力要求，并具有一定的安全储备。

对于环向桁架与径向桁架支托处节点，该节点相交杆件众多，为保证节点外型美观且便于节点连接，设计中也对桁架支拖节点设计进行了方案选择与分析，比较了焊接节点、铸钢节点、节点变断面、节点加肋几种不同的节点构造形式，见图13。综合考虑建筑效果、节点可靠性和安全性、节点的可实施性以及施工的便利性等因素，最终选择了图13(b)所示的铸钢节点形式。后文分析的桁架支拖节点模型见图14，桁架支拖节点的应力与变形分析结果见图15。

图13 桁架支拖节点构造形式

图14 桁架支拖节点模型

从图15可得，桁架支拖节点最不利应力约为135MPa，应力比约为0.59；最不利应力位置和节点变形主要发生在杆件外沿，节点变形很小。因此，本工程桁架支拖节点整体应力和变形不大，桁架支拖节点承载力符合受力要求，并具有一定的安全储备。

图15 桁架支拖节点分析结果

通过结构计算分析可知，罩棚结构相关荷载主要传导至图5(a)或图11节点，而图5(b)节点会对框架柱产生一定的水平作用，考虑到该部位框架柱作为重要的竖向承重构件及抗侧力构件，其承载力必须得到保障。因此，本工程在该部位框架柱均采用了型钢混凝土柱，以提高构件承载力及延性。通过型钢混凝土柱承载力验算，控制该框架柱满足承载力小震弹性、中震不屈服的设计要求。

4 结论

(1)对于该类型体育场建筑，结构主体采用钢筋混凝土框架结构+空间管桁架结构易于满足建筑体型和功能布置要求。

(2)该类型结构设计中，应加强关键节点设计及分析，在保证建筑造型的基础上，节点构造应考虑可靠性、安全性以及节点的可实施性、施工便利性等因素。

(3)对于支托条件有限的柱网布置，支托钢结构罩棚的框架柱建议采用型钢混凝土柱，在便于支座连接的同时，易保证节点和框架柱的相关性能。

(4)对于带有大屋盖或悬挑罩棚的体育场馆设计，应采取“先局部、后整体”的设计原则。

(5)在空间管桁架结构中，针对桁架杆件相交较多节点处，建议采用铸钢节点，易于保证建筑效果和节点的可靠性。

致谢：中国建筑西北设计研究院有限公司总工杨琦对本工程的设计提出了许多宝贵的意见及建议，周鹏洋、蔡建良等浙江大东吴集团建设有限公司深化团队给予了本项目大力支持，在此一并表示感谢！