大连梭鱼湾专业足球场结构设计综述

水金锋, 刘 楠, 王金来, 孙明川, 张 琳, 王 健, 王金鑫, 时 言

(1 大连市建筑科学研究设计院股份有限公司，大连 116021；2 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

大连梭鱼湾专业足球场是用于2023年亚洲杯赛事的专业足球场,设有坐席6.3万个,总建筑面积13.6万m2,用地面积18.5万m2。足球场下部为混凝土框架结构,看台顶标高45.3m。屋顶罩棚为索桁架结构,平面投影为四心圆,长轴长268.5m,短轴长250m,支承于钢压环上;钢压环长轴长253.5m,短轴长235m,支承于56根直钢柱上;钢柱柱底、柱顶均铰接,局部设置柱间人字支撑。罩棚上弦采用斜交索网,下弦采用径向拉索,上下弦索在平面交点处设置竖向钢撑杆。足球场立面设置两组上人的环形坡道,从10.800m标高上至44.600m标高,采用钢桁架结构进行支承,环形坡道之间设置钢索加ETFE膜的幕墙。

2 建筑方案

大连梭鱼湾专业足球场建筑设计灵感来自“海浪与海螺”,方案造型新颖,契合大连海滨城市的特点,屋面造型如白色浪花,泛起层层涟漪,海洋蓝立面由三层索膜结构呈螺旋形围绕在足球场外周,状如海螺螺旋向上,蓝色渐变的建筑立面美轮美奂,仿佛波光粼粼的海面。大连梭鱼湾专业足球场建筑效果图见图1,施工现场照片见图2。1层(图3)为赛事用房、设备用房、车库等。2层(图4)为运营用房、VIP用房、集散平台、博物馆等。3层(图5)为VVIP用房、集散平台、赞助商休息用房等。4层(图6)为服务中心、集散平台等。5层(图7)为包厢、设备用房、集散平台等。6层(图8)为媒体中心、集散平台、足球文化厅等。44.7m标高层为安保观察室、附属用房等,典型剖面图见图9。

图1 大连梭鱼湾专业足球场建筑效果图

图2 大连梭鱼湾专业足球场施工现场照片

图3 1层平面图

图4 2层平面图

图5 3层平面图

图6 4层平面图

图7 5层平面图

图8 6层平面图

图9 典型剖面图

3 结构设计方案

大连梭鱼湾专业足球场的结构体系主要由混凝土框架结构、屋顶罩棚索桁架结构、屋盖膜结构,外幕墙钢结构、索结构和膜结构组成。根据建筑师的方案设计要求,经过多次讨论、协商和初步计算,确定最终结构方案如下:1)足球场的下部为混凝土框架结构;2)足球场的上部屋顶罩棚为索桁架结构、屋盖膜结构,屋盖膜材采用PTFE,内挑棚采用ETFE气枕结构;3)足球场的主体外侧为外幕墙结构,外墙膜采用ETFE。

3.1 结构设计难点

由于建筑设计新颖,建筑效果对结构设计要求很高,在结构设计中遇到的难点主要如下:

(1)为实现屋面浪花、层层涟漪的灵动效果,罩棚结构进行多方案优选,初始方案采用轮辐式上斜交下斜交双层索网体系,外环为受压桁架,内环为受拉桁架,由于其用钢量较大,上斜下斜索网交叉索角度较大,施工及索夹加工难度大,经设计比选优化为轮辐式上斜交下径向双层索网体系,外环为钢压环,内侧设置索拉环,结构受力更加合理,既降低了施工难度,又减小了用钢量,还保证了罩棚涟漪的外观效果,内部空间效果更加轻盈美观。

(2)在设计计算膜结构时发现外环膜拱矢高偏小,跨度较大,膜索索力很大,比其他位置膜索索力大4倍多,拱杆和索径也相应很大,结构受力不合理且截面较大,也不利于建筑效果表达,后与建筑协商沟通,增加外环膜拱高度,结构受力更加合理,减小了拱杆和膜索索径截面。

(3)外幕墙为直纹曲面,初始方案采用斜交索网作为受力结构,将外幕墙固定在索网上,采用悬挑梁+直纹曲面索网体系。斜交索网需施加预应力,且仅能单向进行张拉,对悬挑梁体系有较大的作用力,会使整个外幕墙的悬挑体系产生较大的扭矩,悬挑体系需要很大的刚度才能满足要求。结构优化为在框架柱等距设置悬挑桁架,增加水平支撑并设置钢拉杆,减少索长降低预拉力,并减小预应力对悬挑桁架的作用力,外墙膜作为次结构外挂在双向斜交索网上,结构受力合理,建筑直纹曲面完成效果好。

3.2 混凝土框架结构

本项目设置一道混凝土永久环缝将整个结构分为专业足球场和室外疏散平台两部分,其中专业足球场不设置结构缝,结构总高度44.6m,足球场下部采用钢筋混凝土框架结构,上部屋盖罩棚采用索桁架结构,混凝土结构为屋盖主要支撑结构,主要柱网尺寸约8～13.5m;室外集散平台地上1～2层,混凝土楼面最大高度10.9m,设置六道结构永久缝将其分为七个独立单元。

3.3 罩棚结构

大连梭鱼湾专业足球场罩棚由索桁架结构和支承钢结构构成,周边支承钢结构由压环、摇摆柱、柱间支撑组成。索桁架顶标高66.7m,索桁架内侧设置索拉环,拉环长轴长133.2m,短轴长123.4m,上下拉环高度约19.5m。拉环内侧设置钢挑棚,挑棚悬挑9.3～13.6m,整个体育场中心开口尺寸长轴长114.4m,短轴长96.2m。索桁架的悬挑长度(从压环到拉环),长轴长60.2m,短轴长55.8m,如图10所示。

图10 结构平面图

罩棚上弦采用斜交索网,索长79～86m不等,共计56根斜索。下弦采用径向拉索,索长56～62m不等,共计56根拉索。上下弦索在平面交点处设置竖向钢撑杆。

3.4 支承钢结构

罩棚支承钢结构由压环、摇摆柱、柱间支撑组成,摇摆柱共56根,间距约14.5m,高度12m,摇摆柱通过预埋钢骨与下部框架柱相连。压环截面为□1 600×2 200×80×80,材质为Q345GJC;摇摆柱截面为□800×600×30×30,柱间支撑截面为□800×600×30×30,材质均为Q355C。

3.5 屋盖膜结构

大连梭鱼湾专业足球场罩棚屋盖膜结构采用张拉膜结构体系,主膜内环、外环间共336个三角形膜单元,膜结构沿屋盖两个对称轴1/4对称。各膜以上斜索为谷索,屋盖设五圈环向膜拱。屋盖膜中,与上环索及环梁相接的56个三角形膜单元为平面膜,其余280个膜单元为上斜索与膜拱围成的双曲面膜。各膜单元垂直于上环索径向设置。为提高面积较大的膜单元的刚度及承载力,靠外侧四圈膜单元设置膜面索。罩棚膜面及膜拱布置图见图11。在外侧两圈膜单元中,为减小膜承载面积,在主拱间,各设一圈环向次拱。在压环上,采用拱形桁架作为膜边界。罩棚屋盖膜材质采用G类膜材,膜结构性能指标依据《膜结构技术规程》(CECS 158—2015)[1]。

图11 罩棚膜面及膜拱布置图

3.6 外幕墙结构

大连梭鱼湾专业足球场外幕墙钢结构,足球场立面设置两组上人的环形坡道,从10.800m标高上至44.600m标高,坡道正常宽度约6m,采用钢桁架结构进行支承,坡道之间设置钢索加ETFE膜的幕墙,钢索采用1670级锌-5%铝-稀土合金镀层高钒索,幕墙交叉索网截面为φ30,最小破断力823kN;幕墙竖索截面为φ55,最小破断力2 630kN。足球场外幕墙轴测图见图12,现场照片见图13、14。

图12 足球场外幕墙轴测图

图13 足球场外幕墙北立面照片

图14 足球场外幕墙东立面照片

足球场外幕墙系统由索网及钢桁架组成。桁架立柱通过钢梁与足球场混凝土结构部分相连。索网由截面φ30的斜交索系与截面φ55的竖向边索构成。边索处通过截面φ40的钢杆将钢桁架和索结构连接在一起。

4 结构设计、计算分析的总体要求

4.1 结构设计原则

大连梭鱼湾专业足球场结构体系较为新颖,根据国内外设计经验,该工程应制定安全合理的准则和目标,也就是结构性能化设计思想和要求,这些性能化设计包括抗震、抗风、抗温度作用、抗火、抗腐蚀及抗连续倒塌等内容[2-5]。本工程性能化设计的目标和做法已得到国家有关专家机构和管理部门的批准和认可。

4.1.1 结构抗震性能化要求

(1)本工程抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第二组,设计基本地震加速度为0.15g,依据安全评价报告[6],水平地震影响系数最大值αmax=0.123(多遇地震)。建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),结构重要性系数为1.1,结构安全等级为一级。本工程抗震设计在满足国家、地方规范的同时,根据抗震性能化设计的要求,针对结构超限情况,综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[3]和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[4]规定的抗震设防目标,在充分认识结构与构件的受力及变形特征的基础上,依据结构部位与构件重要性采用了不同的抗震性能目标,如表1、表2所示[7]。

表1 混凝土结构抗震性能化目标

表2 钢结构和索结构抗震性能化目标

(2)结构设计控制目标:罩棚支承钢结构、索结构以及屋盖膜结构的设计控制目标如表3～5所示。外幕墙结构构件的变形控制目标:整体结构挠度≤L/400,结构悬挑挠度≤L/250(L为短向跨度或者悬挑跨度);外幕墙钢结构构件的应力比控制目标:非抗震组合和多遇地震组合的杆件应力比≤0.85,中震弹性组合下≤0.90。索力设计值要求:索抗力分项系数2.0[8]。

表3 罩棚支承钢结构设计控制目标

表4 索结构设计控制目标

4.1.2 风荷载取值

本工程结构体系复杂,混凝土框架结构、屋顶罩棚索桁架结构、屋盖膜结构,外幕墙索网、外墙膜结构均按100年一遇风荷载标准和风洞试验报告[9]进行计算和设计。

4.1.3 结构抗温度作用的设计要求

大连梭鱼湾专业足球场结构由多个子结构组成,各子项结构联系紧密,相互影响,结构体量庞大,温度作用影响明显[5]。结构在温度作用下吸收的能量在建造过程中需要适当释放,需对支座进行合理设计,结构服役期内在容许温差下可通过支座位移和转角来消耗温度作用的不利影响,其性能化要求主要体现在:1)建造过程中采取分段建造,在合理温度下合拢,释放部分温度应力;2)下部混凝土框架结构进行温度应力计算,根据温度应力在外环框架梁设置预应力来抵抗温度应力影响;3)摇摆柱与支撑节点,柱间支撑上下均采用向心关节轴承,适应屋盖变形、应力状态,摇摆柱与支撑节点照片见图15;4)对于外侧周围环绕的外幕墙钢结构,外墙钢结构立柱与下部平台连接处柱脚采用万向铰节点,适应混凝土结构与钢结构因材料不同、线膨胀系数差异引起的变形,可释放不均匀温度应力,使混凝土结构,外幕墙钢结构能保持正常使用状态;5)适当加强曲面外幕墙钢结构抗温度作用的能力,增加水平支撑,减小变形,保护曲面外幕墙的安全使用,外幕墙水平支撑照片见图16。

图15 摇摆柱与支撑节点

图16 外幕墙水平支撑

4.1.4 结构构件抗火设计要求

大连梭鱼湾专业足球场是承办亚洲杯等重要国际赛事的专业足球场,定性为重要公共建筑,为一类高层公共建筑,耐火等级一级,设有坐席6.3万,为大型体育场馆,比赛时人员众多,防火设计非常重要。在设计中根据消防性能化评估报告,综合考虑被动防火设计、主动防火技术和措施、建筑消防安全管理等进行全面系统的消防安全设计[10]。区分重点防火部位,加强结构构件防护,加强幕墙膜结构安全性措施,集散平台火灾隐患控制措施,延长耐火极限时间,对结构关键部分杆件适当降低构件应力,提高耐火能力;对个别易发生火灾部位,如夹层部位,增加灭火设备,延长灭火喷淋时间,保证整体结构在一般火灾下,主要控制构件不屈服,在特大火灾下,在设防时间内结构不倒塌。防火涂料选取必须经过国家检测机关检测合格及消防部门认可,其性能、涂层厚度及质量要求应符合《钢结构防火涂料》(GB 14907—2018)[11]和《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)[12]等现行国家规范、标准的相关要求。

4.1.5 结构抗腐蚀要求

大连梭鱼湾专业足球场项目位于近海环境,三面环海,腐蚀性等级较高,海洋大气环境中的氯离子对钢结构腐蚀严重,为保证工程结构耐久性使用要求,采用长效型防护涂装方案,提高防腐蚀保护层设计使用年限为15年,增加底漆和中间漆的漆膜厚度,并使总漆膜厚度不低于320μm,除制定钢材防腐涂装要求外,对现场焊接部位处理和防腐喷涂均制定严格措施。

4.1.6 结构防连续倒塌的要求

考虑到工程的重要性以及结构的特殊性,应满足防连续倒塌概念设计要求,可采用拆除构件法进行防连续倒塌设计[4,13-14]。

对于罩棚钢结构,应保证在重要结构竖向受力柱出现失效时整体结构不产生倒塌或连续倒塌,根据本工程结构特点,采取抽柱方法进行防连续倒塌验算,针对罩棚钢结构中某一构件失效进行模拟,考察对其周边乃至整个结构体系的影响,分析能否引起钢结构破坏进而引起结构连续倒塌。

对罩棚索桁架结构采用动力方法进行断索分析计算,以得到与真实情况更为接近的计算结果。采用ANSYS瞬态动力分析方法(完全法)模拟断索的整个动力过程,应用生死单元技术模拟拉索失效。结果表明:偶然断索对局部影响较大,对整个结构体系影响不大。断索后其余拉索均处于弹性状态,不会引起连续断索导致结构倒塌。

4.2 结构计算分析原则

大连梭鱼湾专业足球场结构属于高层结构,屋顶罩棚为索桁架结构,屋盖膜结构采用张拉膜结构体系,内侧钢挑棚上部设置ETFE气枕结构,罩棚下部为钢筋混凝土框架结构,钢筋混凝土框架结构外侧周围环绕的外幕墙涉及结构类型有钢结构、索结构、膜结构,涉及到的结构类型较多,需采用多种计算分析软件对结构进行静力及动力分析并包络设计。

本工程罩棚造型设计海浪涟漪波纹效果,外幕墙为直线螺纹曲面,以建筑模型为基础,建立精确的三维结构模型,计算分析程序采用YJK、MIDAS Gen 2021、MIDAS FEA、ANSYS、3D3S。

4.3 结构计算分析内容

大连梭鱼湾专业足球场属于复杂多结构体系,结构计算分析内容主要有:结构抗震计算时,采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。在进行弹性时程分析时,采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算,并与振型分解反应谱法分析结果进行对比;大震下进行动力弹塑性时程分析。由于整体结构不设缝导致结构超长,进行考虑温度作用的温度应力分析。罩棚结构的非线性稳定计算、索网结构的非线性找形分析[15-18]、索网结构的荷载分析时应考虑大变形的几何非线性,膜结构的强度、变形计算时应考虑结构的几何非线性[1,19-20],钢结构整体计算时应考虑结构的二阶效应和初始缺陷的极限承载力[21],钢结构关键节点采用有限元计算分析[22],罩棚结构应进行防连续倒塌计算分析等。

5 结语

大连梭鱼湾专业足球场属于复杂多结构体系,结构体系较为新颖,阐述了结构设计难点和计算分析内容,结构设计采取的性能化设计方法,制定了安全合理的设计原则、控制目标和计算分析要求,通过性能化设计,结构能满足既定结构性能化目标要求,实现建筑效果并保证结构受力合理。