某主体育场钢屋盖结构选型

池碧波，李宏胜，杜凌，侯国求

（中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071）

0 引言

随着社会的不断进步，人们对建筑物的造型设计日益提升，建筑结构设计一体化的需求越来越强烈，结构不仅仅只起到建筑物的支撑作用，更是向外界传递建筑的艺术表现和设计风格的载体。

李丽等[1]在某会展中心展厅异形复杂大跨度结构选型与设计中选用了沿短向（南北向）布置“上承式”张弦钢拱架的结构方案，该结构方案结合了结构合理性及建筑效果，获得了建筑师的青睐，为该项目屋盖较理想结构形式。陈进于等[2]对广州空港会展中心复合张弦桁架结构体系进行了选型与分析，利用结构参数化工具对多种类型展馆结构选型进行对比，综合建筑效果、使用需求和经济指标，采用复合张弦桁架结构体系，在沿海高风压地区具有优越的受力性能和建筑表现力。孙海林等[3]在对贵阳某体育场大跨度悬挑罩棚结构设计研究中，根据建筑效果、施工条件及材料用量等多角度多方案比选，悬挑罩棚选用空间悬挑桁架与环桁架结构，经验算受力与变形均满足要求。

建筑结构比选方案是建筑设计中至关重要的一环[4]。通过科学合理地比选建筑结构方案，可以确保建筑物的安全性、经济性和美观性，实现结构之美与建筑之美的有机结合。本文通过两种结构方案比选及受力分析，为相关项目的设计师提供有益的思路，推动结构设计更好地成就建筑造型需求。

1 工程概况

某主体育场选址位于恩施市，体育场建筑面积为4.01 万m2，总座位数30 000 座。体育建筑等级为乙级，可举办地区性和全国单项比赛要求；体育场规模为中型。

体育场平面投影呈椭圆形，长轴尺寸约为244m，短轴尺寸约为230m，看台上空的罩棚最大标高约为37.6m。本工程有1 层地下室，地下1 层中间区域为比赛区，周边区域为体育赛事功能用房及停车库，层高为6m；地上周边区域为功能用房及看台区。周边功能用房及看台区为3 层，层高分别为4.4、4.5、9.5m，柱网尺寸为（6.8 ～11.5）m×（3.9 ～9.0）m，结构跨度为3.9 ～11.5m。看台上空钢罩棚，最大悬挑跨度约为30m。下部主体结构采用钢筋混凝土框架结构，周边看台上空的钢罩棚采用空间钢网格+树状支撑的悬挑结构。

本工程结构设计基准期和设计工作年限均为50 年。结构安全等级为一级，结构构件重要性系数取1.1。重点设防类。

2 主要荷载取值

2.1 恒荷载及活荷载

结构楼、屋面恒载根据建筑面层做法取值。楼屋面活荷载标准值根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[5]（简称荷载规范）取值。

2.2 风荷载及雪荷载

设计基本风压为0.30 kN/m2（50 年，用于主体结构），0.35kN/m2（100 年，用于钢结构等风敏感结构），拟建场地地面粗糙度类别为B 类。结构体型系数、风压高度变化系数、风振系数等均按照荷载规范取值。基本雪压值为0.20kN/m2（50年，用于混凝土结构），0.25 kN/m2（100 年，用于钢结构等雪荷载敏感结构），不利积雪分布系数按荷载规范取值。屋盖风荷载采用规范和风洞试验结果的包络值。

2.3 地震作用

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）[6]，本工程抗震设防烈度为6°，0.05g，设计地震分组为第一组。本项目场地类别为Ⅱ类。混凝土看台阻尼比0.05，钢罩棚阻尼比0.02，组合计算阻尼比0.035。

2.4 温度效应

合拢温度钢结构取为10℃～25℃。钢罩棚结构计算温差为+39℃、-43℃。

3 钢罩棚结构选型

钢罩棚和周边立面造型结构协调统一成一个整体结构体系，采用空间钢网格+树状支撑的悬挑结构。为达到结构受力合理、同时能更好地与建筑造型协调统一的目的，设计过程中采用了两种方案进行对比设计：

方案一：钢罩棚空钢网格主桁架部分沿径向布置，如图1所示。

图1 钢罩棚空钢网格主桁架部分沿径向布置（方案一）

图2 钢罩棚空钢网格主桁架部分采用菱形网格布置（方案二）

方案二：钢罩棚空钢网格主桁架部分采用菱形网格布置。

（1）方案一、方案二动力特性对比，如图3 所示（其中1和2 振型、3 和4 振型为对称振型，周期基本一致）。

图3 方案一、方案二动力特性对比

（2）方案一、方案二1.0 恒+1.0 活标准组合下竖向位移对比，如图4 所示。

图4 方案一、方案二1.0 恒+1.0 活竖向位移对比

图5 升温工况下分缝与整体轴力云图对比

（3）综合比较结果

①方案一与方案二受力模式一致，动力特性接近；

②方案一开口处角部刚度略小于方案二，方案二在靠近开口第三悬挑单元处刚度小于方案一刚度，两个方案结构刚度均满足规范要求；

③两套方案支座处应力比控制均较为严格（≤0.6），一般处杆件均按0.8 控制；

④方案一钢网格结构部分用钢量约2 420t，方案二钢网格结构部分用钢量约2 527t，方案二略高于方案一（均考虑了节点系数，其中考虑连接方式，方案二节点系数比方案一大）；

（4）结论：方案一、方案二均满足规范要求，均为可行性方案，且用钢量相差不大，最后综合建筑造型效果，方案二结构布置与建筑整体造型更为吻合，更能体现建筑造型与屋盖结构的和谐统一，在与建筑师充分讨论后，本次屋盖结构部分采用方案二结构布置方案（钢罩棚空钢网格主桁架部分采用菱形网格布置）。

4 屋盖结构设计（菱形网格方案）

钢罩棚空钢网格主桁架部分采用菱形网格布置，外端采用三角形钢拉杆固定在一层平台上，中间通过树状支撑支承在斜看台顶端，内端悬挑，最大悬挑跨度约30m，如图2 所示。

在钢罩棚外端、内端、树状支撑处均设置环向桁架，加强钢罩棚的整体性能。

沿着中部环向有规律地设置上、下弦水平环向支撑，该水平支撑体系可以提高钢罩棚的平面内刚度和罩棚整体的抗侧刚度，减小上、下弦杆的平面外计算长度。

4.1 钢罩棚分缝与不分缝方案对比

考虑钢罩棚平面为C 形，设计时进行了对称轴处设置结构缝与整体不设缝的对比分析，主要考察温度效应影响及整体刚度的影响。

从图6 可以看出，温度作用下内力分布主要集中在看台树状支撑处环形桁架上，两种模型最大内力差别基本在10%以内，温度效应对分缝与不分缝模型的影响不是很大，开口布置可以较好地释放温度应力。

图6 降温工况下分缝与整体内力云图对比

通过动力特性及竖向刚度对比分析，如图7、图8 所示，分缝后结构周期较长，竖向刚度较差，另外为了避免单元之间的相对变形和振动对屋面及立面造型、接缝处防水、后期维护等的不利影响，综合比较后选择钢罩棚结构不分缝的方案。

图7 分缝与整体动力特性对比

图8 分缝与整体1.0 恒+1.0 活竖向位移对比

4.2 动力特性和抗震性能分析

对钢罩棚结构模型进行了动力特性分析，采用3D3S V14.1.5 程序的多重Ritz 向量法进行了计算，表1 给了钢罩棚的前6 阶振型的周期。

表1 不分缝钢罩棚模型前6 阶振型的周期

从振型图和振动周期可以看出：

（1）钢罩棚的整体性能比较好，前几个阶振型均是钢罩棚整体弯曲或扭曲振动，不存在局部杆件或局部小范围杆件振动情况；

（2）钢罩棚悬挑部分刚度较弱，振型主要集中在悬挑部分，表现为波动屈曲模态；

（3）与下部钢筋混凝土结构相比，钢罩棚刚度要小很多，对于拼装在一起的整体模型而言，大多数振型均为钢罩棚部分振动，而下部主体混凝土结构基本不振动，这种振动模式属于局部振动；

（4）当取前27 阶振型时，X 方向的有效质量系数为97.66%，Y 方向的有效质量系数为96.56%，Z 方向的有效质量系数为91.53%，均满足规范大于90%的要求。

图9 钢罩棚前4 阶振型的周期

图10 钢罩棚变形云图

图11 钢罩棚应力云图

4.3 屋盖刚度

根据计算分析，竖向挠度为-107mm，f/L=107/30 000=1/280＜1/125，满足规范要求。最大层间位移：53mm；

△h/H=53/37 000=1/698 ＜1/250（参高钢规），满足规范要求。

4.4 应力控制

支座处应力比控制均较为严格（≤0.6），一般处杆件均按0.85 控制。屋盖结构构件在小震及风荷载作用下保持弹性且应力比有一定富余度，在大震作用下仅部分非支座处杆件屈服、发生低程度损坏，且支座杆件承载能力没有下降，屋盖整体仍能继续工作。

4.5 3d3s 与sap2000 对比分析

图12 3d3s 与sap2000 动力特性对比

图13 3d3s 与sap2000 竖向刚度对比

3D3S 与sap2000 前6 阶周期基本一致如表2 所示；3D3S与sap2000 恒+活标准组合下变形图基本一致；通过应力分析，3D3S 与sap2000 杆件应力分析结果基本一致。两个软件设计结果均满足规范要求。

表2 3d3s 与sap2000 动力特性对比表

4.6 钢屋盖设计采取的其他分析方法及措施

（1）温度作用按合理的温差值确定。分别考虑施工、合拢和使用三个不同时期各自的不利温差。

（2）增加考虑竖向地震为主的地震作用效应组合。

（3）整体结构计算分析，考虑支承结构与屋盖结构不同阻尼比的影响。同时进行单独模型分析（考虑下部主体结构水平抗侧刚度对结构的影响并取包络），取不利结果设计。

（4）采用万向固定铰支座（抗震钢球冠圆板支座），提高支座的转动性能及抗震性能。

（5）考虑大震下薄弱（关键）部位进行加强处理以提高抗震性能，防止出现结构倒塌的目的。

5 关键节点设计

钢罩棚外端采用三角形钢拉杆固定于一层平台处，该节点采用三圆管小角度汇交支座连接节点[7]，在保证圆管小角度汇交时截面不被削弱且力能可靠传递的基础上，避免了铸钢节点所造成的造价偏高问题，同时也能满足建筑外观要求。采用ABAQUS 对该节点进行有限元分析，材料遵循von Mises 屈服准则，钢材有限元分析如图14 ～16。

图14 关键节点的网格模型组成示意

图15 关键节点应力云图/MPa

可以看出，节点在最不利组合工况下，节点基本保持弹性，满足结构受力需求。

6 结论

（1）钢罩棚空钢网格分别采用了主桁架部分沿径向布置与菱形网格两种布置方案，从方案经济性、合理性及建筑造型出发进行综合对比分析，通过比选，两种方案均为可行性方案，且用钢量相差不大，菱形网格结构布置与建筑整体造型更为吻合，更能体现建筑造型与屋盖结构的和谐统一。

（2）从温度效应影响及动力特性两方面，针对钢罩棚分缝与不分缝方案进行对比，分缝后结构周期较长，竖向刚度较差，另外为了避免单元之间的相对变形和振动对屋面及立面造型、接缝处防水、后期维护等的不利影响，综合比较后选择钢罩棚结构不分缝的方案。

（3）介绍了钢罩棚结构体系、主要受力分析、复杂关键节点做法及有限元分析结果。

（4）通过计算分析，钢罩棚结构整体性能、抗震性能、结构刚度及构件应力比均满足规范要求。屋盖结构构件在小震及风荷载作用下保持弹性且应力比有一定富余度，在大震作用下仅部分非支座处杆件屈服、发生低程度损坏，且支座杆件承载能力没有下降，屋盖整体仍能继续工作。