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揚州體育公園體育場結構設計要點剖析

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揚州體育公園體育場建于揚州新城西區,是市民健身、休閑、競技、娛樂的場所。場地內地勢西高東低,高差超過10m。體育場設計遵循生態、自然、低碳、節能實用的理念,充分利用地形布置看臺:采用西側看臺多、東側看臺少的不對稱布置方案,與地形斷面走勢完全一致,和原有地形渾然一體,從而在最大程度上減少了土方量。在西側看臺上方單側設置罩篷的建筑造型設計。

 

1   工程概況
體育場按容納人數30000人設計,總用地面積118661m2,總建筑面積41722m2。西看臺罩篷的建筑投影面積為10001m2,其中雙層疊合部分投影面積為1689m2。看臺的總體輪廓采用四心橢圓形。結合西看臺的建筑主體分為3層,中間設局部夾層;東看臺的建筑主體為2層,其下部設1層地下室。1,2層為辦公用房、庫房、商業服務區及媒體中心等;3層為用于看臺的觀眾服務用房及半室外的觀眾廳。東看臺地下室是地下車庫和設備用房。
 
2   結構方案及結構體系
西看臺采用鋼筋混凝土(含部分型鋼混凝土)框架剪力墻結構體系;東、南、北看臺均采用鋼筋混凝土框架結構體系,部分采用型鋼混凝土構件。看臺混凝土結構總長242.9m,寬239.4m。針對體育場多數看臺為露天生態看臺的建筑設計,結合看臺的不同建筑分區及下部建筑功能,在混凝土看臺中設置4道防震伸縮縫,將整個看臺分為4個相互獨立的抗震單元。防震縫寬度取為120mm。防震縫的定位同時保證使西看臺鋼結構罩篷支座坐落在同一抗震單元上。
 
各層樓蓋部分采用現澆鋼筋混凝土梁板結構,西看臺部分采用預制看臺板結構,部分外露建筑造型采用預制鋼筋混凝土掛板。西側入口大廳頂板依建筑造型設計成依地勢曲折形狀的無梁樓蓋結構,以取得最大的建筑凈高。
西看臺鋼結構罩篷是本工程設計的關鍵之一。由于建筑師構思的罩篷建筑效果排斥傳統的懸挑式結構,在空間上也沒有提供懸挑結構在出挑根部所必須的高度,因此結構放棄采用傳統的懸挑式,而是順應建筑造型要求采用退進布置的“預應力鋼管桁架拱+鋼桁架撐+斜撐桿+背拱”的結構形式。
 
為控制鋼管桁架拱傳到基礎上的水平推力并調節上部鋼結構扁平拱的桿件內力,在南北拱腳之間、比賽場地地面以下一定距離設預應力索對拉。施工時結合部分屋蓋鋼結構桿件后裝的情況,在適當時機張拉預應力以獲得最優效果。預應力張拉完畢后將拱腳固定,此后在風荷載、地震作用以及溫度變化作用下引起的拱腳水平推力都傳到樁基礎,由樁基礎和基礎筏板共同承受。
 
大跨度拱腳通過對比計算進行優化設計,采用結合施工過程的可滑移鉸接轉變為剛接,設置一定數量預應力平行鋼絲束以在一定程度上調節恒荷載下罩篷鋼構件內力及平衡部分拱腳連線方向的水平力,同時樁基設計考慮平衡活(雪)荷載、風荷載以及溫度變化、地震作用下的拱腳水平推力。
3   結構設計要點
3.1 體育場罩篷鋼結構設計
揚州體育公園體育場西看臺罩篷造型獨特,是整個體育公園建筑群中的亮點,也由于建筑效果的特殊要求而成為結構設計的難點。罩篷鋼結構設計采用“預應力桁架拱+鋼桁架撐+斜撐桿+背拱”的結構形式,背拱下部支承在型鋼混凝土剪力墻上。東側預應力拱桁架拱腳跨度280m,拱底拉索中心標高-1.6m,拱頂標高42.978m;鋼桁架撐最大跨度37.099m;屋蓋外緣上、下挑篷自主拱中心向東最大出挑25.75m。結構設計使用年限為50年,大跨度罩篷鋼結構及其支承剪力墻、拱腳的結構安全等級為一級,結構重要性系數取為1.1。
為滿足建筑造型的要求,罩篷鋼結構沒有采用傳統的懸挑結構,而是在罩篷前端布置一榀280m跨度的拱形鋼桁架。由于受到建筑物限高的影響,這榀鋼結構巨型落地主拱特別扁平,其矢跨比為0.185。參照《拱形鋼結構技術規程》(JGJ/T 249—2011)的有關規定,需要考慮躍越屈曲問題。為盡量增大結構的躍越屈曲荷載,在主拱的幾何布置中,將拱頂弦桿盡量緊貼屋面,以加大拱截面高度。這樣盡可能加大主拱截面抵抗矩,提高了主拱的剛度,從而改善了結構的整體穩定性。主結構構件緊貼屋面的布置,使主結構可以兼作屋面外包膜的支座,既減少了屋面次結構,也減輕了屋蓋荷重,對屋蓋整體的經濟性控制十分有利。
結合建筑造型,主拱與水平面的夾角為55°。為增加沿主拱傳遞軸力的路徑,拱截面采用設有4根弦桿的四邊形截面,對角線長度由拱腳處的雙向5m,逐步平滑過渡到跨中的5m和5.976m(沿拱矢高方向)。主桁架拱的高跨比為1/56~1/46。
  
為保證建筑美觀,鋼桁架撐和上、下挑篷桁架,在平面投影方向,均沿體育場四心橢圓平面的徑線呈放射狀布置。鋼桁架撐跨度從12.022m變化到37.099m,采用平面桁架,桁架高度由西向東從1m逐步加高到4.317m。
 
為保證鋼桁架撐平面外的穩定性,沿鋼桁架撐跨度內設置了3道環向桁架,并在鋼桁架撐與環向桁架相交節點之間設斜撐桿以保證主拱西側結構體系的整體幾何不變性。經整體對比計算,確定斜撐桿由靠近挑篷側設在上弦曲面內向背拱側于適當位置斜向過渡到下弦曲面內更有利于結構整體均勻受力。
背拱設計為空間環向桁架,以平衡鋼桁架撐根部的復雜內力,確保鋼桁架撐的可靠受力。
由于建筑設計決定主拱和背拱不相交,主拱為大跨度斜拱,而背拱是直接與下部型鋼混凝土剪力墻多點相連的,兩者的變形必然存在明顯差異,尤其在兩者相互接近的“角部”,類似于“應力集中”的局部內力極大情況相當明顯。因此在結構布置上少布置一榀桁架撐以做局部“應力釋放”處理,并將部分鋼桁架撐的桿件設定為后裝(同時設施工臨時支撐并建入模型計算),以減小內力集中程度。角部外包膜材的支撐次結構也采用分縫設計以釋放過于集中的應力。
 
由于鋼桁架撐和環形桁架均為平面桁架,其平面外剛度較小,為改善平面外穩定性,在部分相交節點處設角撐桿,角撐桿規格為Ф159×6,以相當小的桿件設置有效加強了以上兩種桁架平面外的約束,結構效率很高。
 
3.2  體育場罩篷鋼結構設計
揚州體育公園體育場西看臺罩篷采用跨度280m的巨型落地預應力桁架拱結構。按鋼結構罩篷整體設計的受力要求,主拱位于南、北兩端的兩個拱腳需要在預應力施工階段采用鉸接并可滑移、正常使用階段采用固接的拱腳設計。
該巨型落地預應力桁架拱是由4根直徑750mm的弦桿和直徑273~400mm的腹桿組成的空間管桁架結構,與水平面成55°夾角,在拱腳根部,桁架截面呈對角弦桿中心線距離為5m的菱形。拱腳支座的設計是整個鋼結構罩篷設計的關鍵點之一。
按上部鋼結構整體設計受力需要,在拱底預應力索張拉施工時,主拱拱腳應為允許轉動的鉸接支座,并需要隨預應力拉索的張拉向跨度內側方向相向滑移104mm(南拱腳支座)和107mm(北拱腳支座),均為單側滑移值,兩端相向滑移總量為211mm。此時結構處于后裝桿件尚未安裝、已安裝桿件隨預應力張拉而部分逐漸落架的狀態。
從設計的角度來看,“可滑移的鉸支座”要求拱腳的傳力歸攏到一點,否則難以實現一定量的轉動和滑移。但在構造上,若將主拱4根外徑750mm的弦桿并攏到一點,不僅實際施工制作的難度很大、造價很高(主拱弦桿為Q460高強鋼材,如采用相近強度的鑄鋼件,需要在鑄鋼中添加特殊化學元素,將明顯提高造價,且焊接的難度也大大提高),而且可能加大下一階段主拱拱腳變換為固接支座后在構造上和傳力上的難度。因此經多方案比選,決定采用主拱弦桿在拱腳處不內收、另設加強腹桿交會到拱底形心的設計。同時,為保證鉸接支座的可轉動性,在拱底加強腹桿交會的形心處采用銷接構造;預應力張拉時的滑移采用銷下設限位滑槽的方法。
為保證可靠傳力,在前述拱腳端部加強腹桿之間設置雙向穿心鋼板和徑向撐管兩道,以改善拱腳在第1階段的受力。在穿心鋼板上滿打[email protected]×200的焊釘以保證鋼板在下一階段與混凝土成為整體。
為減小滑塊和滑槽之間的摩擦力,相關接觸面須進行精加工,在兩個接觸面之間放置鏡面不銹鋼板和聚四氟乙烯板,使接觸面摩擦系數不超過0.02。銷軸和銷孔之間的接觸面也應精加工、做鏡面處理,以保證張拉預應力時不產生對支座和結構不利的附加內力。
  
預應力張拉完畢后,拱腳受力將從第1階段過渡到第2階段,由鉸接滑移拱腳變為固接拱腳。由于沒有將主拱弦桿交匯,所以在第2階段可以很方便可靠地實現埋入式固接拱腳,而尺寸較大的外包混凝土能夠恰好被在拱腳處建筑設計所需要的堆土所覆蓋。主拱弦桿按伸入拱腳混凝土內的長度不小于3倍的弦桿外徑進行設計,同時在弦桿端部設環形靴梁、在弦桿伸入混凝土拱腳約300mm處設環形反牛腿、在弦桿外表面滿打焊釘以保證埋入式拱腳的可靠傳力。在混凝土承臺中除沿外表面配置雙層雙向鋼筋外,在內部配置三向鋼筋網,并在下部灌注樁施工時在樁端先行預埋型鋼,以提高拱腳抗拔和抗剪承載能力,并加強樁身和承臺之間的整體性。
 
3.3 超長鋼筋混凝土看臺設計
看臺混凝土結構在設置四道防震縫后,由于受到西看臺上方斜拱不宜跨越不同抗震單元的限制,西看臺混凝土結構南北向長度仍達到229.8m,結構長度超過規范允許值很多。針對結構超長,采取以下措施:
 
(1)要求施工時盡量降低混凝土入模溫度和養護溫度,按結構成型后的實際溫度歷程進行溫度應力計算,并計入混凝土收縮、徐變等因素的影響;在溫度應力較大的部位提高配筋率,樓屋面板采用雙層雙向配筋,每層每向配筋率均不小于0.3%。
(2)超長看臺部分采用預制構件。
(3)混凝土梁澆筑時設施工后澆帶,每隔約40m設置一道施工后澆帶,寬1 000m,在60d后且氣溫低于10℃時采用強度等級提高一級的微膨脹混凝土澆筑。
(4)施工時采取減小水泥用量和水灰比、摻入合適的外加劑、改善水泥和骨料質量、加強養護等措施,盡量減少混凝土收縮裂縫。
西看臺采用清水混凝土預制板,為保證預制看臺板在溫度、地震作用下的適用性、安全性,預制板端部擱置長度取為350mm,采用漿錨或與預埋鋼板焊接(用于欄板根部)等方法和現澆鋼筋混凝土結構可靠連接。并在預制板與現澆混凝土支座梁之間放置橡膠墊塊,以釋放溫度變形。
 
4   基礎設計
根據場地勘察情況,考慮荷載的大小、平面分布及地基持力層的分布情況,選用⑦層礫質砂巖層為拱腳下基樁持力層,采用直徑1200mm鉆孔灌注樁,有效樁長為10~12m,按靜載荷試樁報告取單樁抗壓承載力特征值為4200kN,單樁水平承載力特征值為700kN;選用⑦層礫質砂巖層或⑧層泥質砂巖層為其他區域的基樁持力層,采用直徑600mm鉆孔灌注樁,有效樁長7~15m隨土層而變,單樁抗壓承載力特征值為1050~1450kN,單樁抗拔承載力特征值為500kN。
基礎埋深為2~5.5m,采用樁筏基礎(西看臺拱腳連線及附近部分區域)和獨立樁承臺+基礎拉梁(其他部位)的基礎形式。地下室部分采用“樁承臺+止水板”設計。地下室底板直接支承于③層粉土、粉砂層,底板荷載不傳到樁基礎。
大跨度鋼結構拱腳設計的關鍵是要平衡好拱腳水平力,設計所采取措施:1)部分水平力直接由承臺下的樁承受,該承臺下樁按承受水平作用的樁進行設計;2)樁頂預埋數個H型鋼,規格為H300×300×10×15,以確保承臺水平力可靠地傳遞到樁;3)在南北兩個拱腳之間,頂面與承臺頂面持平,由南至北一定范圍內設500mm厚整體筏板以平衡部分拱腳水平力。
5   結語
對于體育場這類結構暴露的建筑,結構必須體現建筑在造型方面的設想,實現建筑師的意圖。在此前提下,結構工程師需要將可能不符合力學原理的建筑造型設計成合理傳力、安全可靠的結構。在這個過程中,可以綜合、靈活地運用施加預應力和結構分區、分片按特定順序安裝,從而達到“預調內力”的目的,使結構趨向合理。
揚州體育公園體育場是集中了復雜鋼結構造型、超長混凝土結構等諸多挑戰于一體的一個復雜工程。針對其復雜性,結構設計通過多程序仿真實際結構成型的全過程,考慮了當地的歷史溫度變化,進行了強度分析、變形分析、整體和局部的彈性、彈塑性穩定分析等,采取了一系列措施,保證了結構的安全可靠、經濟合理。
作者: 來源: 發布時間:2013年11月12日
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