武漢體育中心體育場結構設計

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武漢體育中心體育場結構設計

郭必武  李  治

（武漢建筑設計院    430014）

提  要  武漢體育中心六萬人體育場結構設計采用鋼筋混凝土框架——筒——索膜整體結構體系。結構受力分析采用空間非線性計算程序。通過風洞試驗確定風載取值。通過局部模型試驗檢查關鍵部位的受力特點和設計計算結果。根據(jù)索膜蓬蓋特點的特殊結點設計保證了安裝、使用的安全可靠?？?mdash;—筒——索膜結構在大型體育場的設計中是一種先進的效果良好的結構型式。

關鍵詞  框——筒——索膜結構  風洞試驗  節(jié)點設計

一、概  述

武漢市體育中心是武漢市規(guī)模最大的體育建筑群，包括六萬人體育場、游泳館、水上娛樂中心等一組現(xiàn)代化的體育建筑。體育中心位于武漢沌口經(jīng)濟開發(fā)區(qū)腹地，318國道從其西側經(jīng)過，與占地1600畝的新江漢大學遙遙相對，形成武漢市又一現(xiàn)代特色的大型文化中心。開發(fā)區(qū)是武漢市改革開放的碩果之一，轎車產(chǎn)業(yè)發(fā)達，近廿年的新型建筑規(guī)劃合理、布局有致、交通四通八達，這座現(xiàn)代化的體育中心座落在該區(qū)是十分相宜的。

體育場是體育中心的主體工程，建筑面積8萬平方米，投資約3.7億元，設有總高45米的二層看臺，可容納六萬觀眾，一流的場地設施，可以承擔國內(nèi)國際的一流大型比賽。

體育場由四個花瓣形看臺組成橢圓形平臺，長軸277米，短軸245米，（周長約800米）競技場設于其中，從任意位置均可清楚的觀看場內(nèi)項目比賽。看臺采用框架結構體系，設置四個角筒，框—筒為蓬蓋支座，蓬蓋采用目前國際上流行的索膜張拉結構，施加予應力后與框—筒共同受力，形成框—筒—索膜結構體系。（圖1）

二、結構體系

(一) 框架結構體系部分：

蓬蓋以下部分為體育場看臺及辦公輔助用房，采用框架結構體系。徑向框架為主要受力方向。承受看臺及樓蓋荷重，并承受蓬蓋荷載?？蚣芄?6榀，東西區(qū)懸挑過大，為減小端點位移，采用Y型框架立柱（圖2）

徑向框架懸臂端為蓬蓋Y形大懸挑桁架鋼伸臂支座。設計為鋼筋混凝土L型剛臂。頂點根據(jù)蓬蓋反力和計算簡圖設計為鉸支座，L型角部為蓬蓋下拉桿支座，形成蓬蓋伸臂的平衡系統(tǒng)。

橫向框架由徑向框架柱、連梁、樓蓋梁組成?？磁_座采用現(xiàn)澆予應力┏型梁，整體性較好。

花瓣形平面四角交匯處設計高約40米直徑10米的鋼筋混凝土筒體，承受拱形外環(huán)梁巨大的水平推力，保證蓬蓋索膜系統(tǒng)形成空間穩(wěn)定結構。

(二) 蓬蓋索膜體系：

蓬蓋由傘狀膜結構單元組成。東西側看臺每側18個膜單元，南北側看臺每側14個膜單元，總共64個膜單元。每個膜單元承擔結構自重、屋面荷重、檢修荷重和音響、燈光、馬道等懸掛荷重。風載是蓬蓋結構的主要荷載，通過風洞試驗取值?？拐鹪O防烈度為七度。

傘狀膜單元由鋼臂、索、膜組成。鋼臂為Y形平面。鋼管空間桁架。臂伸最大長度52米，后部通過鋼管下拉桿平衡。鋼管下拉桿組成空間三角形，錨固節(jié)點為鋼筋混凝土剛臂。鋼臂與剛臂采用鉸結支座。內(nèi)環(huán)索施加予應力后起彈性支點作用。鉸結支座處設立柱，立柱與上拉索形成蓬蓋膜需要張拉成形的高度和予張力，滿足蓬蓋的鋪設要求。

索膜部分包括谷索、脊索、邊索、內(nèi)環(huán)索、各索施加予應力才能參加蓬蓋受力，予應力值根據(jù)膜找形和使用條件計算確定，內(nèi)環(huán)、索各點垂直位移控制在20cm以內(nèi)。

各膜單元通過上下環(huán)梁，內(nèi)環(huán)索相互聯(lián)結并與四角筒撐桿平面上形成非線性的整體受力體系。上下環(huán)梁是一個空間拱，拱腳支座為四個角筒，內(nèi)環(huán)索相當于拱拉桿。大部分水平力分力由空間拱承受，垂直力主要由鋼臂通過挑臺框架傳給基礎，同時空間拱也承受部分豎向力。（圖3）

三、內(nèi)力分析

由于體系的非線性特點，采用非線性專用程序進行內(nèi)力分析。

根據(jù)體系建立三維空間有限元模型整體分析求解，從而得到桿件單元的設計內(nèi)力。

設計考慮了包括地震作用組合的17個工況，進行荷載不利組合。起控制的工況為上拔風工況及XY風荷載與活載組合的工況。屬于由可變荷載效應控制的組合。東西看臺鉸支座內(nèi)力最大值其豎向力為7000kN，水平力為5000kN。

控制工況內(nèi)力計算結果                      表1

工況

組   合

桿件最大內(nèi)力（kN）

桿件最小內(nèi)力（kN）

1

上撥風工況

4492

-3806

2

X方向風載

2791

-3844

3

Y方向風載

2640

-3453

4

XY方向風載和活載組合

3635

-4853

注

+表示拉力；－表示壓力

四、節(jié)點設計

索與鋼臂、立桿、拉桿采用銷接。鋼臂與框架支座采用空間鉸?？臻g鉸的設計是保證索桁受力和框架支座安全的關鍵。

在進行整體力學分析時在索桁平面內(nèi)設計為鉸。目的是不傳遞彎矩，避免框架支座產(chǎn)生很大的柱端彎矩，使鋼筋混凝土L形剛臂立柱截面、配筋很大而難以滿足設計和施工要求。索膜安裝時予應力張拉的不平衡力形成水平彎矩及安裝偏差的次彎矩，造成剛臂立柱的扭矩，也是必須避免的。在使用階段風載會產(chǎn)生水平不平衡力，其力由內(nèi)外環(huán)索和水平支撐承受，在該節(jié)點處不產(chǎn)生扭矩。

空間鉸接觸面為一球冠，球面半徑按接觸面承受水平力和垂直力的最不利內(nèi)力數(shù)值設計，Nmax=7000kN，Vmax=5000kN，不同工況水平力與垂直力的夾角不同，該球面半徑形成的球冠能在所有工況的夾角下保證相適應的合力點位于球面之內(nèi)并使接觸面的抗壓滿足要求。

球冠的矢高不宜太高，雖然大矢高對鋼鉸設計有利，但對立柱和鉸底面的設計不利，水平力作用點或合力點形成附加彎矩較大，矢高和半徑必須經(jīng)過各種組合后優(yōu)化確定，最終取用東西區(qū)為r=375mm，f=171.5mm；南北區(qū)r=375mm，f=158mm。

五、風洞試驗

由于大型體育場索膜結構風載取值無規(guī)范可循，因此通過風洞試驗確定。風洞試驗由北京大學、清華大學共同完成。根據(jù)風洞試驗結果設計取值：風壓最大值1.15kpa（壓力），最小值-1.65kpa（體型系數(shù)最大值1.4（壓力）最小值-2.7（吸力），風振系數(shù)根據(jù)設計部位不同分別取值1.25～2.5。

風洞試驗為剛性模型，模型比例1∶150，壓力由模型每轉動15°角測量內(nèi)、外表面一次，當模型旋轉360°即24次后，即獲取內(nèi)、外表面各自的全蓬蓋壓力分布。

主要測點數(shù)據(jù)列表如下：（風壓值為經(jīng)過換算后設計可直接采用值）

表2

部   位

50年重現(xiàn)期風壓（Kpa）

壓力最大值

吸力最大值

東區(qū)

0.9

-1.4

南區(qū)

1.0

-0.8

西區(qū)

0.9

-1.3

北區(qū)

1.0

-0.9

六、節(jié)點試驗

為了確保支座節(jié)點的安全，根據(jù)設計圖作了補充試驗，由華中科技大學結構試驗室完成。試驗采用1∶4比例，模擬靜動力對節(jié)點加載，試驗結果表明，試驗數(shù)據(jù)均滿足設計要求，節(jié)點設計是安全可靠的。

七、材    料

鋼材采用Q345C級鋼，膜材采用法拉利120ZT型PVC，輔材選用不銹鋼緊固件，鋁合金壓條等標準件。膜面投影面積29844m2，展開面積39400m2，索用量約120噸，桿件桁架由焊接鋼管和無縫鋼管組成。

節(jié)點均采用對接焊縫，不同部位采用熔透焊和角焊縫。角焊縫用于次要受力部位和超聲探傷不便進行處，并通過檢測保證焊接質量，達到設計要求。

結    語

通過武漢體育中心六萬人體育場設計和施工，可以認為：

1、大型體育場容納觀眾越來越多，場地越來越大，成為其建設趨勢。索膜結構具有自重輕，覆蓋靈活，覆蓋面積大，造型美觀的優(yōu)勢，是當代大型體育場的合理先進的首選型式。

2、風載是索膜結構的主要荷載，應通過風洞試驗確定并應考慮風振作用。

3、索膜蓬蓋應與下部支承形成整體受力體系，設計的重點要選擇好整體受力模式，整體受力應該是穩(wěn)定的、簡捷的、可靠的從而是最經(jīng)濟和合理的。

4、特殊的節(jié)點設計必須加強，要考慮多種可能的受力狀況，即需要考慮不利組合的同時要考慮施工過程及可能發(fā)生的非常規(guī)復雜內(nèi)力，確保安全。