【结构剖析】形似大碗的扬州体育公园体育场结构设计之谜

项目介绍

扬州体育公园体育场建于扬州新城西区，是市民健身、休闲、竞技、娱乐的场所。场地内地势西高东低，高差超过10m。体育场设计遵循生态、自然、低碳、节能实用的理念，充分利用地形布置看台：采用西侧看台多、东侧看台少的不对称布置方案，与地形断面走势完全一致，和原有地形浑然一体，从而在最大程度上减少了土方量。在西侧看台上方单侧设置罩篷的建筑造型设计。

1 工程概况

体育场按容纳人数30000人设计，总用地面积118661m2，总建筑面积41722m2。西看台罩篷的建筑投影面积为10001m2，其中双层叠合部分投影面积为1689m2。看台的总体轮廓采用四心椭圆形。结合西看台的建筑主体分为3层，中间设局部夹层；东看台的建筑主体为2层，其下部设1层地下室。1，2层为办公用房、库房、商业服务区及媒体中心等；3层为用于看台的观众服务用房及半室外的观众厅。东看台地下室是地下车库和设备用房。

2 结构方案及结构体系

西看台采用钢筋混凝土（含部分型钢混凝土）框架剪力墙结构体系；东、南、北看台均采用钢筋混凝土框架结构体系，部分采用型钢混凝土构件。看台混凝土结构总长242.9m，宽239.4m。针对体育场多数看台为露天生态看台的建筑设计，结合看台的不同建筑分区及下部建筑功能，在混凝土看台中设置4道防震伸缩缝，将整个看台分为4个相互独立的抗震单元。防震缝宽度取为120mm。防震缝的定位同时保证使西看台钢结构罩篷支座坐落在同一抗震单元上。

各层楼盖部分采用现浇钢筋混凝土梁板结构，西看台部分采用预制看台板结构，部分外露建筑造型采用预制钢筋混凝土挂板。西侧入口大厅顶板依建筑造型设计成依地势曲折形状的无梁楼盖结构，以取得最大的建筑净高。

西看台钢结构罩篷是本工程设计的关键之一。由于建筑师构思的罩篷建筑效果排斥传统的悬挑式结构，在空间上也没有提供悬挑结构在出挑根部所必须的高度，因此结构放弃采用传统的悬挑式，而是顺应建筑造型要求采用退进布置的“预应力钢管桁架拱+钢桁架撑+斜撑杆+背拱”的结构形式。

为控制钢管桁架拱传到基础上的水平推力并调节上部钢结构扁平拱的杆件内力，在南北拱脚之间、比赛场地地面以下一定距离设预应力索对拉。施工时结合部分屋盖钢结构杆件后装的情况，在适当时机张拉预应力以获得最优效果。预应力张拉完毕后将拱脚固定，此后在风荷载、地震作用以及温度变化作用下引起的拱脚水平推力都传到桩基础，由桩基础和基础筏板共同承受。

大跨度拱脚通过对比计算进行优化设计，采用结合施工过程的可滑移铰接转变为刚接，设置一定数量预应力平行钢丝束以在一定程度上调节恒荷载下罩篷钢构件内力及平衡部分拱脚连线方向的水平力，同时桩基设计考虑平衡活（雪）荷载、风荷载以及温度变化、地震作用下的拱脚水平推力。

3 结构设计要点

3.1 体育场罩篷钢结构设计
扬州体育公园体育场西看台罩篷造型独特，是整个体育公园建筑群中的亮点，也由于建筑效果的特殊要求而成为结构设计的难点。罩篷钢结构设计采用“预应力桁架拱+钢桁架撑+斜撑杆+背拱”的结构形式，背拱下部支承在型钢混凝土剪力墙上。东侧预应力拱桁架拱脚跨度280m，拱底拉索中心标高-1.6m，拱顶标高42.978m；钢桁架撑最大跨度37.099m；屋盖外缘上、下挑篷自主拱中心向东最大出挑25.75m。结构设计使用年限为50年，大跨度罩篷钢结构及其支承剪力墙、拱脚的结构安全等级为一级，结构重要性系数取为1.1。

为满足建筑造型的要求，罩篷钢结构没有采用传统的悬挑结构，而是在罩篷前端布置一榀280m跨度的拱形钢桁架。由于受到建筑物限高的影响，这榀钢结构巨型落地主拱特别扁平，其矢跨比为0.185。参照《拱形钢结构技术规程》（JGJ/T 249—2011）的有关规定，需要考虑跃越屈曲问题。为尽量增大结构的跃越屈曲荷载，在主拱的几何布置中，将拱顶弦杆尽量紧贴屋面，以加大拱截面高度。这样尽可能加大主拱截面抵抗矩，提高了主拱的刚度，从而改善了结构的整体稳定性。主结构构件紧贴屋面的布置，使主结构可以兼作屋面外包膜的支座，既减少了屋面次结构，也减轻了屋盖荷重，对屋盖整体的经济性控制十分有利。

结合建筑造型，主拱与水平面的夹角为55°。为增加沿主拱传递轴力的路径，拱截面采用设有4根弦杆的四边形截面，对角线长度由拱脚处的双向5m，逐步平滑过渡到跨中的5m和5.976m（沿拱矢高方向）。主桁架拱的高跨比为1/56～1/46。

为保证建筑美观，钢桁架撑和上、下挑篷桁架，在平面投影方向，均沿体育场四心椭圆平面的径线呈放射状布置。钢桁架撑跨度从12.022m变化到37.099m，采用平面桁架，桁架高度由西向东从1m逐步加高到4.317m。

为保证钢桁架撑平面外的稳定性，沿钢桁架撑跨度内设置了3道环向桁架，并在钢桁架撑与环向桁架相交节点之间设斜撑杆以保证主拱西侧结构体系的整体几何不变性。经整体对比计算，确定斜撑杆由靠近挑篷侧设在上弦曲面内向背拱侧于适当位置斜向过渡到下弦曲面内更有利于结构整体均匀受力。
背拱设计为空间环向桁架，以平衡钢桁架撑根部的复杂内力，确保钢桁架撑的可靠受力。

由于建筑设计决定主拱和背拱不相交，主拱为大跨度斜拱，而背拱是直接与下部型钢混凝土剪力墙多点相连的，两者的变形必然存在明显差异，尤其在两者相互接近的“角部”，类似于“应力集中”的局部内力极大情况相当明显。因此在结构布置上少布置一榀桁架撑以做局部“应力释放”处理，并将部分钢桁架撑的杆件设定为后装（同时设施工临时支撑并建入模型计算），以减小内力集中程度。角部外包膜材的支撑次结构也采用分缝设计以释放过于集中的应力。

由于钢桁架撑和环形桁架均为平面桁架，其平面外刚度较小，为改善平面外稳定性，在部分相交节点处设角撑杆，角撑杆规格为Ф159×6，以相当小的杆件设置有效加强了以上两种桁架平面外的约束，结构效率很高。

3.2 体育场罩篷钢结构设计
扬州体育公园体育场西看台罩篷采用跨度280m的巨型落地预应力桁架拱结构。按钢结构罩篷整体设计的受力要求，主拱位于南、北两端的两个拱脚需要在预应力施工阶段采用铰接并可滑移、正常使用阶段采用固接的拱脚设计。
该巨型落地预应力桁架拱是由4根直径750mm的弦杆和直径273～400mm的腹杆组成的空间管桁架结构，与水平面成55°夹角，在拱脚根部，桁架截面呈对角弦杆中心线距离为5m的菱形。拱脚支座的设计是整个钢结构罩篷设计的关键点之一。
按上部钢结构整体设计受力需要，在拱底预应力索张拉施工时，主拱拱脚应为允许转动的铰接支座，并需要随预应力拉索的张拉向跨度内侧方向相向滑移104mm(南拱脚支座)和107mm(北拱脚支座)，均为单侧滑移值，两端相向滑移总量为211mm。此时结构处于后装杆件尚未安装、已安装杆件随预应力张拉而部分逐渐落架的状态。
从设计的角度来看，“可滑移的铰支座”要求拱脚的传力归拢到一点，否则难以实现一定量的转动和滑移。但在构造上，若将主拱4根外径750mm的弦杆并拢到一点，不仅实际施工制作的难度很大、造价很高(主拱弦杆为Q460高强钢材，如采用相近强度的铸钢件，需要在铸钢中添加特殊化学元素，将明显提高造价，且焊接的难度也大大提高)，而且可能加大下一阶段主拱拱脚变换为固接支座后在构造上和传力上的难度。因此经多方案比选，决定采用主拱弦杆在拱脚处不内收、另设加强腹杆交会到拱底形心的设计。同时，为保证铰接支座的可转动性，在拱底加强腹杆交会的形心处采用销接构造；预应力张拉时的滑移采用销下设限位滑槽的方法。
为保证可靠传力，在前述拱脚端部加强腹杆之间设置双向穿心钢板和径向撑管两道，以改善拱脚在第1阶段的受力。在穿心钢板上满打M19@200×200的焊钉以保证钢板在下一阶段与混凝土成为整体。
为减小滑块和滑槽之间的摩擦力，相关接触面须进行精加工，在两个接触面之间放置镜面不锈钢板和聚四氟乙烯板，使接触面摩擦系数不超过0.02。销轴和销孔之间的接触面也应精加工、做镜面处理，以保证张拉预应力时不产生对支座和结构不利的附加内力。

预应力张拉完毕后，拱脚受力将从第1阶段过渡到第2阶段，由铰接滑移拱脚变为固接拱脚。由于没有将主拱弦杆交汇，所以在第2阶段可以很方便可靠地实现埋入式固接拱脚，而尺寸较大的外包混凝土能够恰好被在拱脚处建筑设计所需要的堆土所覆盖。主拱弦杆按伸入拱脚混凝土内的长度不小于3倍的弦杆外径进行设计，同时在弦杆端部设环形靴梁、在弦杆伸入混凝土拱脚约300mm处设环形反牛腿、在弦杆外表面满打焊钉以保证埋入式拱脚的可靠传力。在混凝土承台中除沿外表面配置双层双向钢筋外，在内部配置三向钢筋网，并在下部灌注桩施工时在桩端先行预埋型钢，以提高拱脚抗拔和抗剪承载能力，并加强桩身和承台之间的整体性。

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