长沙体育中心体育馆结构设计

陈平友, 陈文明, 彭志桢, 姚 丽, 温殿伟, 吴鹏程

(1. 成都基准方中建筑设计有限公司，四川成都 610021；2. 中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

1 工程概况

长沙国际体育中心体育馆为特大型甲级体育馆，规模18 087座，总建筑面积97 800 m2，地上建筑面积94 800 m2，地下建筑面积3000 m2。地上主体6层，地下局部1层，地上屋面结构标高50.433 m。根据GB50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[1]和GB 50010-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[2]，体育馆抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为一组。场地特征周期0.35 s，建筑场地类别Ⅱ类。体育馆下部主体结构采用现浇混凝土框架—剪力墙结构，由于建筑功能的需要，板与剪力墙的连接相对较弱，剪力墙设置间距较大，剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为二级。

体育馆平面投影呈一椭圆平面，外轮廓长轴约252 m，短轴约203 m。在体育馆7.600 m标高以上，结构平面投影约为164 m的圆(图1)。屋盖采用了双向正交正放网架，内支座跨度为114.1 m×145.1 m，周边立面采用了平面桁架(图2)。

图1 体育馆鸟瞰

图2 体育馆剖面

2 结构设计中的难点和措施

2.1 大悬挑平台

根据建筑功能的需要，在结构第5层(20.700 m标高)和6层(26.100 m标高)需设置大悬挑平台，在此平台下方又不能设置结构柱。因此结构从第3层(12.000 m标高)，设置斜柱，以支撑第5层、6层大悬挑平台。在体育馆看台东西侧区域，最上层看台局部收台，导致下部支撑看台斜梁的部分柱不能直升上来支撑看台斜梁，因此也设置斜柱。比赛场看台尾部的周边布置的混凝土大柱作为支撑钢网架屋盖的内支座，此柱单柱悬臂高度比较高，为了增大该柱的承载力，将该柱设置为型钢混凝土图，如图3。

图3 斜柱布置示意

2.2 结构16.350 m标高不连续楼板

结构16.350 m标高处，由于建筑功能的需要，楼层东西侧区域不能设置楼板，导致结构的楼板不连续。考虑到建筑在此标高位置要设置建筑吊顶，设置水平桁架不影响建筑功能和使用，且能增加结构水平传力的连续性和结构的整体性。因此在此处设置了水平桁架，且能有效的降低此处楼板不连续带来的结构问题(图4)。

图4 16.350m标高加水平桁架

2.3 预制看台的设计

体育馆看台要做成预制构件，为了保证构件水平力传递连续性，加强结构的整体作用，预制看台两端预先留出胡子筋，支承看台的看台斜梁上翻墩也预先留出胡子筋。在预制看台构件安装完成后，将预制看台支座处两侧端部的胡子筋和看台斜梁的预留胡子筋浇筑连接在一起，形成整体(图5、图6)。

图5 典型预制看台平面连接构造示意

图6 预制看台肋梁间现浇处理节点构造示意(1-1)

看台的环形走廊，为悬挑板式结构，如果也做成预制构件，不仅对支承该悬挑板的首排看台环梁产生很大的扭矩作用，还要处理防止悬挑板向外倾覆带来的连接构造问题。设计中，将悬挑板和首排看台现浇，使首排看台板的抗弯能力不小于悬挑板端部的弯矩，很好的处理了悬挑走廊板抗倾覆和首排看台环梁抗扭问题。由于是整体现浇，首排看台环梁可以往上抬，梁底平走廊板底，首排看台下方净空抬高，可以更好的满足建筑功能要求，见图7。

图7 首排看台与悬挑走廊现浇构造示意

2.4 超长结构设计

体育馆平面投影呈一椭圆平面，下部混凝土结构在平面7.600 m标高上，外轮廓长轴约252 m，短轴约203 m。为了满建筑功能和立面要求、增强结构体的整体性，下部混凝土结构不设置永久变形缝。因结构平面超长超宽，为控制温度和混凝土收缩应力，结构采取设计和施工措施，减小或消除因温度变化在超长混凝土内形成的拉应力，以免体育馆主体结构因温度或混凝土收缩变形开裂形成有害的贯通裂缝。在设计上，考虑了混凝土收缩和温度变化在混凝土结构中产生的拉应力，以及混凝土收缩徐变和混凝土构件开裂导致构件刚度下降的影响，同时考虑室内外气温差值的变化，将构件的拉应力换算为等效温度作用在结构上，参考文献[3]的计算方法。室内：降温-11.6 ℃，升温5.4 ℃；室外：降温-16.1 ℃，升温9.4 ℃。

楼板按弹性膜计算，结构采用考虑温度作用效应组合的内力计算配筋。在设计上按一定间距设置施工后浇带，并尽可能推迟后浇带的封闭时间至3～6个月，以减少混凝土早期固结收缩变形对结构的影响。将梁、板钢筋在后浇带处尽量断开，后浇带封闭时进行搭接焊，减小混凝土收缩时钢筋的约束影响。要求在梁、板后浇带中，添加微膨胀剂和抗裂纤维，封闭后浇带的大气温度为10～20 ℃，尽可能低温封闭。

2.5 屋盖结构的设计

体育馆为钢结构屋盖，共分为4个部分：

(1)看台上方采用双向正交正放平面网架，网架利用下部比赛场看台尾部周边布置的40根混凝土大柱，作为屋盖网架结构的内环多点支座，跨度为114.1 m×145.1 m。

(2)40个支座外侧采用放射状桁架。

(3)由于屋盖网架平面与周边竖向立面平面桁架不在一个平面，在屋盖与立面交接处，设置一圈外环桁架作为屋面与立面桁架的转换桁架。

(4)在立面采用60榀放射状布置的平面桁架，桁架平面投影指向体育馆投影面的圆心，同时又是外围幕墙的主要受力支撑构件。设计中，与建筑立面密切配合，利用幕墙材质变化以及建筑线条在立面上的变化自然形成的分割线，设置环向平面桁架或立体桁架，有效的减小了竖向桁架平面外的计算长度。正交正放网架支座位于40根混凝土框架柱柱顶，采用弹性铰支承。周边立面60榀竖向平面桁架下端支承在结构7.600 m的平台标高的柱顶或环形梁上，采用关节轴承支座。设计中，为了增强结构的抗扭能力和整体性，分别在屋顶局部区域支座上下弦处和立面桁架处设置刚性拉杆(图8)。

图8 屋盖体系组成系统

屋盖中间正交正放网架弦杆截面600 mm×350 mm×18 mm～600 mm×450 mm×35 mm矩管，腹杆350 mm×350 mm×10 mm～600 mm×350 mm×18 mm矩管，网格尺寸为9 m～11 m；放射桁架弦杆截面φ325 mm×8 mm～630 mm×24 mm，腹杆截面为φ219 mm×8 mm～ 325 mm×12 mm；转换桁架弦杆截面φ325 mm×12 mm，腹杆截面φ245 mm×8 mm；立面竖向桁架弦杆截面尺寸为φ426 mm×9 mm～530 mm×12 mm，腹杆截面为φ203 mm×6 mm～ 245 mm×8 mm;立面环向桁架弦杆截面为φ245 mm×8 mm～ 377 mm×9 mm，腹杆截面为φ180 mm×6 mm～219 mm；刚性拉杆截面φ30 mm和φ40 mm。钢屋盖材料均采用Q345B，钢拉杆采用强度等级为BLG725的不锈钢拉杆。转换桁架尺寸为3 m，立面桁架宽度为2.5 m。整个屋盖结构体系与建筑效果协调一致，且传力途径简洁明了。屋面荷载沿着中间网架向四周传递，到达周边混凝土看台柱处时，一部分向下传递给混凝土看台柱，一部分沿着放射桁架继续传递，通过转换桁架，顺畅传递到立面桁架。

3 其他主要设计

本项目屋盖体量、跨度均较大，体型新颖，还进行了大量的设计计算工作。

3.1 抗震性能设计

本工程将下部混凝土主体结构和上部钢屋盖结构进行总装，在屋盖上部与柱连接处设置弹性支座；周边立面钢桁架下端与7.600 m标高平台相连的地方设置关节轴承支座，采用整体分析模型对结构进行整体分析。根据建筑的功能和结构特点，本工程抗震性能目标为C级[4]。结构底部加强区剪力墙、支撑钢屋盖柱及斜柱以及钢屋盖支座附近的弦杆及腹杆定位关键构件。

结构弹性阶段(多遇地震)的设计分析采用PMSAP、YJK、MidasGen计算，对部分参数进行了对比(表1，表2)。其他关键参数，如刚重比、剪重比、基底剪力、楼层受剪承载力比、楼层侧向刚度比、层间位移等，用PMSAP、YJK分析对比，结果也比较一致，说明结构模型分析准确。采用软件SAUSAGE进行非线性动力弹塑性时程分析。

表1 荷载对比

通过对体育馆进行的弹性、弹塑性的静力和动力分析，表明结构能够满足设定的性能目标要求。

3.2 抗连续倒塌验算

体育馆中40根型钢混凝土立柱支撑着大跨度屋盖，另外靠近支座的腹杆，弦杆属于关键构件，在整个结构体系中起着重要作用，若这几个构件失效可能引起结构连续倒塌，

表2 结构周期比

可能带来严重的后果，因此有必要对结构进行连续倒塌分析。根据CECS 392: 2014《建筑结构抗倒塌设计规范》[5]，整体结构模型分别考虑拆除1个支撑柱、拆除2个支撑柱、拆除靠近支座的下弦杆、拆除支座的腹杆后，对钢屋盖进行验算。从应力角度，几个关键构件拆除后，最大应力为282.9 MPa，仅局部相关部位构件应力稍有增大,且均小于屈服强度。其他部位构件应力水平均较低处于弹性状态。故而几个关键构件的失效或拆除不会导致屋盖的集体失效而倒塌。

3.3 钢屋盖分析

将钢屋盖与下部主体结构脱离，下部主体结构对钢屋盖约束的刚度提供给钢屋盖。采用MidasGen进一步分析钢屋盖结构在静力、温度作用、地震和风组合各种工况下的内力和变形情况，各构件均满足设定的性能目标要求。设计中，对钢屋盖结构进行了整体稳定分析，考虑结构的双非线性，采用通用有限元软件ANSYS进行计算分析，计算结构在3种荷载工况下的特征值，分别为：①恒载+1.0活载；②1.0恒载+1.0西半跨活载；③1.0恒载+1.0南半跨活载。①工况作用下，结构的安全系数为4.99；②工况作用下，结构的安全系数为6.78；③工况作用下，结构的安全系数为6.31，均大于规范规定的2.0[6]，且有较大富裕，满足规范要求。双非线性稳定分析结果表明，结构具有较好的稳定性。

设计中还对各种类型的节点进行了有限元分析，各种应力和指标均满足规范要求。

4 结束语

长沙体育中心体育馆由于建筑功能和立面的需要，设计中遇到了较多的专业难题并要妥善的处理，对大悬挑结构、楼板不连续、预制看台、超长结构、大跨钢屋盖平面转换等在设计中采取了有效的处理办法。同时采用多个模型和软件对结构抗震性能、防连续倒塌、屋盖整体稳定等关键问题进行了仔细的计算分析，满足设定的性能目标和相关规范要求。

注：本文第一作者是在中国建筑西南设计研究院有限公司工作期间做的本项目，同时皮孝建、程伟、黄步菘、李占涛等同志也参与了本项目的设计工作，在此表示感谢。