重竞技体育馆大跨钢筋混凝土结构设计

朱金坤 刘 斌 贺星新

（南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000）

1 工程概况

南京清凉山重竞技训练馆项目位于城西干道西侧，南京母亲河——秦淮河东侧，属于秦淮风光带范围内。风光带内建筑限高20m，训练馆东西向长度105.1m，南北宽35.8m。靠近秦淮河西侧，建筑使用功能为办公管理，地上五层。根据使用功能的要求，首层层高4.0m，二～四层层高3.2m，五层层高4.2m。东侧区域为训练馆，首层层高4.75m，使用功能为摔跤馆、散手、拳击训练馆；二层层高4.75m，使用功能为跆拳道、器械训练馆；三层层高10m，使用功能为羽毛球馆和篮球馆。

根据功能分区，东西两侧层高及层数不同，为错层结构，东西向剖面图见图1。

图1 东西向剖面图

为简化结构模型，使其受力合理，形成规则的结构单元，在轴线4及轴线5处设置结构抗震缝兼做温度变形缝，分成两个结构单元，西侧办公区平面尺寸为14.80m×35.80m的规则的框架结构单元，属于常规尺寸、常规设计。东侧形成一个平面尺寸为90m×35.8m的平面T形建筑，柱网尺寸为9m×10m，为了满足使用功能，一层二层各跨抽柱子，形成18m×20m的大跨楼盖。三层抽掉中间一排框架柱，形成一个单跨度20m大跨空间，以满足羽毛球馆及篮球馆的要求，效果图如图2。

图2 建筑效果图

训练区域根据使用功能，要求首层及二层训练馆需要满足比赛区域净高不低于4.00m，三层羽毛球馆净高不低于9.0m。为此，结构设计时主要考虑四个结构方案：（1）600mm厚现浇空心楼盖；（2）650mm厚现浇空心楼盖；（3）700mm厚现浇空心楼盖；（4）密肋楼盖，密肋梁折算截面200mm×750mm。项目现场有一座近百年的训练跳伞的伞塔，紧邻新建大楼，为保留传统，尽可能与周边建筑协调，最终在这四个方案中进行比选。

2 训练馆结构主要设计参数及方案

结构的安全等级为二级，设计使用年限为50年，体育训练馆抗震设防类别为重点设防（乙类）；办公部分抗震设防类别为标准设防（丙类），其中重竞技训练馆框架抗震等级为二级，办公区域抗震等级为三级。基本风压0.4kN/m2[1]，基本雪压0.65kN/m2，抗震设防烈度7度（0.1g），场地特征周期为0.35s，二类场地。体育训练馆活荷载取值为5.0kN/m2，面层厚度100mm[2]，局部一层地下室，基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，既抗拔又抗压，设计要求按柱网轴线进行工勘。方案1～3为现浇空心圆管楼盖，二层结构平面布置图见图3。

图3 二层结构平面布置图

重竞技训练馆因使用的特殊性，需要大跨，净高不低于4m，楼板刚度有要求。规范要求的强度及挠度(L/400)设计，训练要求活荷载挠度不高于L/500。从净高要求直接排除传统主次梁方案，保留密肋梁和现浇空心板两个方案。其中针对空心板的厚度不同进行更加细致地分析比选，见表1。

表1 方案比选

结合施工便利性及施工成本，选择板厚650mm，内置BDF薄壁空心筒体构件，空心管外径400mm，上下预留板厚最薄处分别为130mm和120mm。如图4。

图4 现浇空心楼盖剖面示意图

方案1采用650mm厚现浇空心楼板自振频率为7.7Hz，加速度为0.038g，满足训练馆要求不低于5.9Hz，加速度0.04～0.07g。基本可以实现建筑的净高要求，兼顾施工成本，综合造价最低，性价比最好。

3 大跨钢筋混凝土结构设计的控制要点

3.1 结构设计的几个关键指标

地上及地下结构的分析软件采用SATWE，SAP200辅助验算，预应力采用软件分析和手算复核进行比较，梁刚度放大系数按照规范取值，水平构件的弯矩调幅系数取值0.85，次梁与边框梁计算按照铰接计算分析，实配按最小配筋率控制，构造设置交叉斜筋确保铰接点的抗剪性能。楼梯采用滑动板式楼梯，释放斜撑楼板对框架的影响。考虑结构跨度大，且三层的层高为10m，单跨20m的结构，框架柱截面尺寸：800mm×1100mm，二层框架梁为600mm×1300mm，屋面边梁600mm×1500mm，大跨预应力梁为600mm×1150mm。房屋高宽比20/35.8=0.55＜6，第一周期、第二周期均为平动周期，分别是1.2s、1.10s，第三周期为扭转周期，周期为0.84s，第一扭转周期与第一平动周期比值为0.7，常遇地震最大层间位移角为1/804，最大位移比为1.16，无薄弱层，无软弱层。模型反馈结构前10阶周期，都呈整体振动变形，无局部振动现象，周期、位移、侧向刚度、楼层抗剪承载力、刚度比等重要指标均能满足规范要求[3]。

3.2 基础设计

项目位于清凉山西侧山坡，属于丘岗地貌，明城墙内侧，毗邻明城墙，从初期的勘探情况看，岩石埋深浅，最薄处大约10m，最深处约为30m，岩层为7～2层，为中风化泥质粉砂岩，夹不规律破碎带。岩层变化的坡道较大，设计建议现场增加勘探孔，按照建筑单体的柱网，进行逐点勘探。预制桩没有成桩的可行性，考虑存在松散的强风化层，易塌孔，桩基设计为直径700mm和800mm两种钢筋混凝土钻孔灌注桩，独立柱下承台，分为单桩（承台厚度800mm）、两桩承台（承台厚度1200mm）、三桩承台（承台厚度1600mm），承台之间地库底板采用梁板式防水板受力模式。根据逐根框架柱下荷载，逐点设计桩基，设计结果基本每一根入岩深度及桩长均不一致，项目最长桩与最短桩长相差15m。后期加强沉降观测，使用已超5年，实测沉降值与计算基本一致，无不均匀沉降现象。设计要求，施工过程中设计人员，原地质勘探人员到场，会同监理、建设单位，逐孔判岩，随机抽取部分岩芯进行试验抽检。

3.3 地库顶板设计

重竞技训练馆部分区域有地库，地库功能为汽车车库，东段无地下车库，占比面积约为1/3，有地库区域采用梁板式结构，不影响地库使用区域，设置少量剪力墙，既可以减少地库的跨度，降低首层梁高，又可以满足抗震规范规定的嵌固层下抗侧刚度为首层抗侧刚度2倍的要求。为保证嵌固层的有效性，无地下室区域承台之间设置框架地梁，双向拉通确保首层刚度。紧邻地库边，开挖肥槽处，提高回填要求，首层局部增加结构楼板，避免后期局部回填不密实带来沉降差异，引起地坪开裂。

3.4 温度应力的控制

虽然按照建筑功能设置抗震缝，分为两个平面较为规则的结构单元，但是东侧重竞技训练馆东西向长度仍有90m，共10跨，每跨9m，超过混凝土规范建议的现浇混凝土不宜超过40m，且空心板楼折算混凝土远超常规民用建筑，混凝土前期的水化热、混凝土收缩徐变等非常突出。设计采用后张法无连接预应力技术，张拉端选择OVM锚，锚固端采用挤压锚，筋选择低松弛钢绞线Uφs15.24f ptk=1860 N mm2，张拉控制应力σcon=0.7f ptk=1302 N mm2，考虑摩擦损失、锚固损失、预应力松弛损失、收缩徐变损失等合计预应力损失为290N mm2，结合南京多年温度变化情况，后浇带合拢温度按15℃计算，考虑最大升温降温±25℃，经计算，长方向楼层温度应力按照1.3N mm2，长方向屋盖温度应力按照1.8N mm2，短方向楼层温度应力按照0.7N mm2设计。设计预应力选择：2Uφs15.2@500。考虑楼板跨度比较大18m×20m，预应力温度筋在板跨内按照抛物线布置，为竖向承载提供一定安全储备，并为结构提供一定刚度补偿。使用至今未见主体结构梁、板出现明显的裂缝，室内地坪和粉刷基本未见明显裂缝。

3.5 大跨混凝土梁设计

重竞技训练馆三层层高10m，为了满足使用功能的要求，抽掉中间一排框架柱，形成事实单跨结构，见图5。从结构整体而言，下部刚度大，上部刚度小，不属于不利的结构刚度形式，见剖面图6。

图5 屋盖大跨预应力结构布置图

图6 屋盖大跨剖面示意图

屋面预应力梁跨度20m，端部悬挑近5m，柱网尺寸9m，预应力梁中心距离3m，梁截面尺寸为500mm×1150mm。为减少结构重量，采取结构找坡，坡度为3%，悬挑处预应力顺坡度方向，不作突变。影响雨水沟排水处，设置预留套管排水，并做相应的加强。预应力采用后张法，长度超过25m，采用两端张拉，后张法有粘结方案，尽可能降低预应力损失。张拉端施工完成后，用高标号微膨胀混凝土进行密封。

3.6 墙架设计

三层羽毛球馆和篮球馆层高近10m，扣除梁高，填充墙净高度接近9m，建筑隔墙厚度200厚，填充墙高厚比9000/200=45，超过砌体结构规范限制，自身稳定性存在问题。设计考虑篮球的撞击荷载，设计专门墙架，墙架立面示意图见图7。构造柱截面按300mm×250mm，半层高设置腰梁，腰梁截面尺寸300mm×600mm。按照荷载规范，风荷载体系系数按照围护结构取值，折算水平风荷载标准值接近2.0kN/m2，腰梁的腰筋按照该荷载进行设计，控制水平荷载下挠度、裂缝满足规范要求。

图7 墙架立面示意图

3.7 入口造型柱设计

入口处红色的造型柱，东西方向一排，中间标高搁置玻璃雨棚板，顶部单方向有梁形成多跨结构，南北方向没有约束属于纯悬臂状态。设计采取两个方向予以考虑，其一南北方向按照悬臂构件，进行配筋设计，考虑水平荷载有两项，水平风荷载和水平地震荷载。其二顶部利用造型设置加强板带，板带边缘设置边梁。为减轻重量，造型柱设计为空心结构，既可以减轻重量，又可以设置雨水立管。中间空心部位400mm×600mm空腔，预埋2×3组直径200PVC管，实现空心，减少模板制作困难。造型柱配筋截面形式见图8。

图8 造型柱配筋截面

4 结束语

体育馆项目常规钢结构较多，因为人流量大、荷载大、跨度大、空间通透性要求高、室内净高要求高，给结构的选型带来约束。密肋楼盖、现浇空心楼板、现浇预应力空心楼盖，是体育馆比较常用的楼盖方案。本项目采用预应力现浇空心楼盖，取得不错建筑效果和经济效果，项目使用至今已超过5年，各个方面反馈良好，故可供类似项目参考。