西安奥体中心体育馆结构设计及若干技术介绍

西安奥体中心体育馆是一个特大型综合体育馆，看台以下的主体结构采用了钢筋混凝土框架-剪力墙结构，屋盖采用肋环形双层钢网架。钢屋盖由位于看台外侧的48根混凝土直柱和位于环廊外侧的16组三角形钢斜柱支承。混凝土柱均匀布置在直径为136.6m的圆上，柱顶设混凝土环梁。外圈三角形斜柱柱顶位于直径为204.6m的圆上。内外圈之间的跨度为34m。建筑外立面采用飞檐造型，飞檐处屋面结构采用三层网架，在网架中部放置设备风机。介绍了结构选型和设计中重点关注的几个问题。

关键词： 体育馆；肋环形双层钢网架；钢屋盖；钢斜柱；混凝土环梁

Abstract: Xi’an Olympic sports center gymnasium is a super-large comprehensive gymnasium. The reinforced concrete frame-shear wall structure is adopted in the main structure below the stand. Ribbed double-deck space truss is used in the roof. The steel roof is supported by 48 concrete columns located outside the grandstand and 16 groups of triangular steel inclined columns located in the outer corridor. Concrete columns are evenly arranged on a circle with a diameter of 136.6 m, and concrete ring beams are set on the top of the columns. The outer circle triangular oblique column is arranged in diameter of 204.6 m. The span between the inner and outer rings is 34 m. The exterior facade of the building adopts the eaves shape, and the structure adopts three-layer grid structure. The equipment fan is placed in the middle chord. This paper explains some key problems in structure selection and design.

Keywords: gymnasium; ribbed double-deck steel space truss; steel roof; steel inclined column; concrete ring beam

西安体育中心是2021年第14届全国运动会的主场馆，由体育场（标段1）和体育馆+游泳馆（标段2）组成，项目选址在国际港务区，位于西安市未来城市发展的东北向主轴上，柳新路以南，向东路以北，杏渭路以西，迎宾大道以东，占地面积约74.9×104㎡，地理位置优越，交通便利。体育中心总平面布置如图1所示。本文仅介绍西安体育中心的体育馆。

图1 总平面布置

Fig.1 General layout

西安体育中心体育馆是一个综合体育馆，建筑面积为108,283㎡，有18,000个座席，看台高度为26.40m，建筑高度为41.360m（钢结构上弦最高点中心线），无地下室，地上4层，底层的外圈尺寸为168m，屋盖外围尺寸约为204.6m，属于甲级大型体育建筑，如图2所示。

图2 体育馆建筑效果图

Fig.2 Architectural rendering of the stadium

体育馆一层周圈布置有商业、设备用房及上到其屋面的台阶，商业、设备用房与体育馆间一层设有环形车道。商业用房的屋面为体育馆的入口平台，平台与体育馆间通过部分连桥连接，用于体育馆的人员疏散，如图3、图4所示，图3左下角部分为热身馆。

图3 体育馆2层建筑平面图

Fig.3 Floor plan of the stadium on the second floor

图4 体育馆剖面图

Fig.4 Profile of the stadium

2.1 结构选型与设计

如前文所述，商业及设备用房与体育馆在2层楼面通过部分连桥连接，故沿体育馆周边设置一圈结构缝将平台与主馆脱开。考虑主馆使用过程中的温度变化较小，故主馆不设缝，只在施工阶段采取措施防止混凝土开裂。周边商业用房沿体育馆外圈按长度小于120m设置结构缝，将商业用房部分分成13个结构单元，如图5所示。

图5 结构单元划分

Fig.5 Structural unit division

体育馆1层层高为7.8m，其他楼层层高为4.5m，设防烈度为8度。受看台部分斜构件的影响，结构的扭转指标难以满足规范要求。为调整楼层刚度，体育馆看台以下部分采用混凝土框架-剪力墙结构，周围商业用房采用框架结构。看台采用清水混凝土预制看台。看台后侧是体育馆钢屋盖的主要竖向支承构件，由均匀布置在直径为136.6m圆上的48根混凝土柱构成，柱的外侧是体育馆的环廊，环廊的外立面由64片倾斜的三角形幕墙组成，各三角面的交线上设有钢斜杆作为幕墙的支撑结构，如图6所示。

图6 钢屋盖与混凝土结构间的支撑结构

Fig.6 Support structure between steel roof and concrete structure

本工程钢屋面为圆形穹顶形式，屋面钢结构在竖向荷载作用下有向外膨胀的趋势，为使屋面钢结构形成自平衡体系，减少屋盖传给竖向构件的水平推力，同时方便施工，缩短工期，钢屋盖选用肋环形双层网架结构，中间最大跨度为136.6m，外环跨度为34m。为满足屋面造型需要，结合建筑功能，沿屋面外圈局部抬高形成夹角，尖角内放置风机，故尖角部分采用了3层网架，该部位防水屋面做在网架的中间层，上层为装饰屋面，如图7所示。

图7 钢屋盖结构（单位：m）

Fig.7 Steel roof structure（Unit：m）

2.2 结构设计控制参数

本体育馆为特大型综合类体育馆，根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008） ^[1] ，本项目应为重点设防类建筑。按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010） ^[2] 和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010） ^[3] 的相关规定，体育馆的有关设计参数如表1所示。

2.3 传力路线规划与关键构件的确定

体育馆可分为四周环廊和内部看台2大区域，故体育馆钢屋盖可设计成3跨连续结构，其竖向荷载作用下的弯矩图可近似用图8表示。这样的跨度分布决定了钢屋盖的大部分竖向荷载将通过内侧直柱向下传递。因地震力为惯性力，同时外圈斜柱的倾斜角度不大，传递水平力的能力不够突出，所以为了传力简洁，应设法让水平力也主要通过内圈混凝土直柱往下传递。内圈混凝土直柱毫无疑问是结构的关键构件。同理，在屋面钢结构中，该柱附近的钢网架弦杆和斜腹杆及其基础也是设计的重点。

图8 结构受力简图

Fig.8 Structural force diagram

2.4 基础设计

基础采用了当地应用较为成熟的后插筋灌注桩（即《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008） ^[4] 中的长螺旋钻孔压灌桩），直径为600mm，桩长约为25m。试桩结果表明，桩的竖向承载力很高，达到了300t以上。但因桩径较小，水平承载力较差，考虑体育馆的设防烈度为8度，又未设地下室，桩需承受的水平力较大，结合前文力的规划路线，为保证其桩基工作的整体性和安全性，在该柱及其向外一圈的地梁间设置一圈混凝土板（图9中阴影部分），使基础在承受较大水平地震作用时具有更好的整体性和较大的承载能力，如图9所示。

图9 基础平面图

Fig.9 Foundation plan

2.5 主要计算结果

2.5.1 周期分析结果

体育馆采用MIDAS Gen的整体计算结构振型结果如表2所示，说明结构的整体抗侧刚度及抗扭刚度适中。

2.5.2 钢屋盖的变形情况

对于大空间结构，屋盖的水平和竖向变形是设计中需要重点关注的问题，本工程的有关计算结果如表3所示，说明屋盖结构水平和竖向变形满足规范要求。

2.5.3 屋盖地震剪力在内外圈支撑柱的分配情况

地震力的本质是惯性力，质量越大产生的地震力也越大，该力如果不发生水平转移，直接沿竖向构件传至基础，则此时的传递路径最短，因此钢屋盖内圈支承柱的刚度决定了地震力的分配合理程度。本工程内圈框架柱的截面取1,500mm×1,500mm。计算表明，内圈框架柱分配的地震剪力占了总地震力的80%以上，外圈钢斜柱分配的地震剪力不足20%，与规划的传递路线一致，如表4所示。

2.5.4 钢屋盖地震力在支座上的分配

由于钢屋盖平面内的刚度不大，地震作用下地震力在支座处的分配将随屋盖及其支承柱的刚度变化而变化。图10中数据表明：内圈支承柱中，直径与地震方向平行的柱的地震力最大，垂直方向的柱的地震力最小；高区看台的柱较短，抗侧刚度相对偏大，因此分担的地震力偏大。

图10 地震力在混凝土柱顶的分配（单位：kN）

Fig.10 Distribution of seismic forces on top of concrete columns（Unit：kN）

2.5.5 外围斜撑对竖向荷载的贡献

2组三叉撑中间的直杆支承于下部混凝土结构的悬挑梁上，设计将其处理成轴向铰，不传递竖向力，能够传递竖向力的仅有三叉撑中的斜杆。为此，将斜撑的顶部交点处理成支座，去掉外圈幕墙荷载，则恒载+活载（L _d +L _l ）工况下的支座反力如图11所示。由图可知，外圈三叉斜柱仍为压杆，但杆内的轴力很小，内圈混凝土柱才是竖向荷载的主要承担者，是关键构件。

图11 外圈三角形斜撑承担的竖向力（单位：kN）

Fig.11 Vertical forces on the outer triangular brace（Unit：kN）

3.1 屋盖支撑结构形式及控制指标的确定

钢屋盖的内圈支承结构形式有3种：1） 混凝土柱以悬臂柱形式单独支承，下部的剪力墙不升至钢屋盖；2） 剪力墙和混凝土柱共同支承，两者均升至网架下弦支座处；3） 在内圈混凝土柱顶设置环梁，将内圈独立的混凝土悬臂柱变为环形框架。针对不同的支承形式，结构的水平位移角遵循以下原则：

1）当混凝土柱为悬臂柱时，位移角可以控制为1/250 ^[5] 。

2）当下部结构中的混凝土墙也升至柱顶时，位移角应按框剪结构控制为1/800 ^[3] 。

3）当柱顶设有环梁时，位移角可按框架结构控制为1/550 ^[3] 。

理论上讲，上述3种方式均可以考虑，但刚度越大，屋盖结构的地震力越大。考虑钢屋盖的延性较好，为减小地震作用，加强支承结构的整体性，减少屋盖对内圈柱的水平推力，本工程采用了悬臂柱顶设水平环梁的做法，位移角参照框架结构按1/550控制。

3.2 环梁的作用分析

柱顶环梁的存在可以将一个个独立的悬臂柱连成一个整体，形成环向框架，从而增大结构的抗扭刚度，避免单个柱失效带来的重大破坏。图12为混凝土柱顶设环梁（外圈数据）与不设环梁（内圈数据）的钢屋盖支座在竖向荷载作用下的径向剪力对比。由图可知，环梁的存在对屋盖支座的水平变位起到了约束作用，并使各支座的受力趋于均匀。不设混凝土环梁时，支座的最大剪力减少了约40%，说明屋盖支承结构的环向刚度大幅降低，支承屋面柱的水平位移增大，同时各支座的受力因柱刚度的不同而差异较大。

图12 设与不设环梁支座径向剪力的对比（单位：kN）

Fig.12 Comparison of radial shear force with and without ring beam bearing（Unit：kN）

关于环梁的设置位置有2种思路。一种是设在钢屋盖支座处的下弦球上，其优点是能更有效地约束钢屋盖在竖向荷载作用下引起的支座水平变位，缺点是对混凝土支承体系的整体性及抗侧刚度贡献很小，故本设计采用了另一种思路：柱顶设混凝土环梁的方式。环梁按控制裂缝宽度小于0.3mm进行配筋。

3.3 关于防连续倒塌

本工程钢屋盖结构为双层网架结构，杆件众多，试算结果表明，无论是弦杆还是斜腹杆，无论其在支座附近还是在跨中，单根杆的破坏均不会对钢屋盖带来太大的影响，屋盖结构的内力重分布能力很强。

由于钢屋盖的支承柱顶设有环形混凝土梁，环梁的协调能力很强，加之网架的整体性良好，故去掉其中一根混凝土柱 ^[6] 后结构仍不会发生连续倒塌。

3.4 关键节点的有限元分析

本工程钢结构的几个节点均采用了“中震弹性”的性能目标。图13是用ABAQUS分析的几个关键节点的应力云图，表明在中震作用下节点能够保持弹性。

图13 中震作用下的节点应力云图

Fig.13 Stress contour of joints under moderate earthquake

3.5 关于大跨度空间结构的性能化问题

根据以往的工程经验，很多7度设防地区的大空间钢结构的地震作用组合都不起控制作用。那么，8度设防地区这种结构的地震作用组合是否会起控制作用呢？本文对屋盖网架的部分杆件的控制内力进行了对比，如表5所示。

表中数据说明，对于8度设防地区（9度构造），其地震力较大，小震时只有个别杆件的内力由地震工况控制，而中震时很多杆件的内力由地震工况控制，故在高烈度地区设计大跨结构时，进行中、大震工况验算十分重要。

3.6 剪力墙的作用及其工作性态控制

本工程设防烈度为8度，设防类别为乙类，按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010） ^[2] ，高度大于24m的建筑不能采用框架结构。合理设置一定量的剪力墙有利于使结构更加合理。但是，这种高度不大的剪力墙属矮墙，其变形接近于剪切型 ^[7] ，在水平力作用下的变形远小于框架的变形，故剪力墙吸收的地震力很大。如果要求结构在中震作用下保持弹性则会使剪力墙的厚度过大，工程量增加 ^[8] 。另外此种剪力墙的轴压比较小，抗剪能力较弱。所以对于这类剪力墙，提高材料强度和增加型钢比增大截面更可取。由于此剪力墙的轴压比较小，而且有框架柱存在，即使在大震作用下有损坏也不影响竖向荷载的传递，因此该墙大震下的性能目标可退化为轻度损伤。

3.7 预制看台对水平刚度的影响

本工程看台采用预制看台，连接构造以文献[9]为主，典型的连接构造如图14所示，每块预制板在两头各用1个螺栓与现浇混凝土梁相连，板和板之间通过2个螺栓连接。

图14 预制看台连接构造（单位：mm）

Fig.14 Connection detail of prefabricated stand（Unit：mm）

为考虑预制看台对结构刚度的影响，建立了3种模型试算方案。方案1：看台板用壳单元建模，上、下看台完全相连；方案2：看台板用壳单元建模，上、下看台之间相距25mm，看台板之间采用2Φ22钢筋连接；方案3：将看台等效成荷载施加到两侧主梁上，楼板做开洞处理。试算结果表明：垂直于预制板方向，预制看台的刚度对结构几乎无影响；平行于看台板方向，由于预制看台在该方向面内具有剪切刚度，看台能协调看台短柱与正常楼层柱之间的变形，如果不考虑看台板刚度将导致看台部分框架柱，尤其是下端的短柱分担的剪力比实际小，正常楼层柱分担的剪力比实际偏大。设计将相关短柱所受的剪力根据柱的实际高度适当放大。

（1）本工程的工期紧，网架结构具有较好的适应性。

（2）追求传力直接应该是设计追求的目标之一，本工程使用了一系列的环向构件，结构受力合理。

（3）高烈度区的大空间建筑的抗震设计不应该被轻视。

（4）预制清水混凝土看台的传力特性呈各向异性，对看台底端的柱有影响，设计时不可忽视。

参考文献

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