【结构精品案例】简单环状|天津海河教育园区体育中心结构设计

天津海河教育园区体育中心体育场位于天津市海河教育园区一期建设项目区内。建筑面积为3.5万m2，地上4层，无地下室。设有座席2.9万座，属于中型体育场。为了最大程度获得高质量视线，看台采用西高东低的不对称布置方式。体育场屋盖为平面椭圆环形罩篷，立面设计为倾斜的、开口的马鞍形（图1，2）。屋盖覆盖了体育场周圈所有看台部分，其最高点为49.8m，最低点为19.340m，长轴约长249.8m，短轴约长242m。

本工程的特点是根据建筑造型及下部混凝土柱布置的不同，屋盖的支座分为单柱拉杆支座、单柱单支点支座、单柱双支点支座、双柱支座等多种形式。为了达到将体育场看台全部覆盖的效果，西区屋盖最大悬挑长度达40m。综合考虑建筑效果及结构安全经济等综合因素，屋盖采用钢管桁架体系。屋盖采用Q345-C钢管，主要由64榀径向主桁架以及四道环向次桁架组成，对应下部看台分区，相应分为东、西、南、北四个分区（图3）。为了减小温度应力的影响，屋盖在下部混凝土分缝位置相应地设置了结构缝，屋盖平面及立面布置分别见图3，4。

主桁架（横向桁架）由周边环绕的巨柱悬挑而出或直接支承在下部钢筋混凝土巨柱柱顶，形成屋盖的径向环肋。由于主桁架的高度较大，为减小杆件的计算长度和构件尺寸，降低用钢量，设计采用了变截面桁架的形式（图5）。

为了提高整个屋盖结构的整体性，沿环向设置四道次桁架（图6）。次桁架分别设置在径向主桁架两端、巨柱顶支座处及内侧挑跨中部。为了满足建筑设置照明的需要，将东、西区内侧端部主桁架向内移进一个节间。主桁架悬挑端部设置连接主桁架上、下弦的系杆。

在桁架上、下弦均用支撑将各榀桁架合理连接起来。东、西区布置四道横向支撑，南北区布置三道横向支撑。各横向支撑之间由布置在主桁架两端部的纵向支撑相连，在平面内形成封闭，上、下弦设置相同支撑。

屋面系统设计为有檩条体系，根据每榀桁架的腹杆布置设置檩条（图7，8）。南、北区中间三跨跨度较大，采用格构式檩条，其他部位采用宽翼缘工字钢檩条。在檩条间均匀地设置拉条作为其侧向支撑，并在端部设置斜拉条和撑杆。

每榀主桁架均支承在下部混凝土巨柱柱顶，部分桁架后部设有支撑杆。将每榀桁架支座处竖向腹杆截面加大，并向下贯通，并把钢骨插入混凝土巨柱中（类似于框架中的柱脚节点）（图9）。支撑杆两端均通过销栓节点与上部桁架及下部钢骨混凝土柱连接（图10，11）。

本工程各杆件连接均采用相贯焊接节点，由于钢管直径大，交汇杆件多，为了建筑造型与控制成本，节点主要采用腹杆与弦杆相贯焊接的形式，弦杆截面贯通，腹杆焊于弦杆之上。当弦杆尺寸较大、腹杆直径较小时，节点采用间隙式相贯焊接方式。对于部分弦杆壁厚较小、腹杆与系杆数量多的节点，对弦杆节点域进行局部加厚，并在主杆内部设置环形加劲肋以提高节点承载力。

天津海河教育园区体育中心体育馆及公共实训中心位于海河教育园区内，建筑面积约7.1万m2，包含一座体育馆和一座公共实训中心，体育馆设6800座，建筑高度为27.0m；公共实训中心建筑高度为23.8m，图1为本工程建筑效果图。

本工程地上四层，包含体育馆及功能用房、拳击馆、职校实训比赛场和实训教室。屋盖全部采用钢网架结构，屋面采用有檩条的金属轻屋面。工程结构设计基准期为50年，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级。根据当地气候条件，钢结构材质采用Q345B。

根据建筑功能分布和下部结构分缝情况，将钢结构屋盖分为8个网架，8个网架平面布置参见2，其中网架1、网架2通过搭接桁架连接为一个整体，网架3、网架4沿中轴线对称的两侧各布置1个，网架5为标准矩形网架，网架6为主入口异形网架。

网架1最大短向跨度约为80m，上、下两侧最大悬挑长度约为27m，主体部分高度为5m，在悬挑端逐渐变小，双向主要网格尺寸为5~6m，最小网格长度为4.3m；网架2短向跨度为36m，长向跨度为63m，主体部分高度为2.2m，双向主要网格尺寸为3~3.3m，最小网格长度为2.05m。网架1,2示意图见图3。

由于建筑功能要求，在网架1与网架2交接部分的49.5m跨度不能设置支撑柱，需通过搭接桁架形成类似舞台台口的大梁将网架1与网架2连为一体。网架1与网架2平面及剖面布置示意见图4，5。

上、下弦节点通过腹杆相连，在空间形成四角锥。为保证网格平顺，上、下弦杆平面内采用部分三角形网格进行过渡。上、下弦节点连接腹杆后在空间局部形成三角锥。节点形式采用螺栓球和焊接球混用，焊接球内部加钢肋。

利用网架1与网架2屋面相差6.8m的高差，设置搭接桁架，在网架1下弦层和网架2上弦层平面重叠部位设置竖向高差1.8m的搭接杆件，使搭接桁架在立面上形成4个弦层，总高度达到9m。搭接桁架最上弦层杆件和最下弦层杆件外径达到500mm。以500弦杆作为主管，采用相贯节点与腹杆和支弦杆连接。最下弦主管的支座节点见图6。

网架1与网架2支座节点采用专业公司生产的抗震球形铰支座，为减小滑动和转动阻力，在滑动面和转动面设置聚四氟乙烯板。典型抗震球形支座如图7所示。钢支座与网架采用短柱、支座钢板或加劲肋焊接连接。钢支座焊接在支座下部预埋件的预埋板上，预埋件根据支座反力大小，采用直锚筋或角钢埋入混凝土柱顶。

为释放在平时工作状态下的温度应力，网架3、网架6均设计了滑动铰支座（图8）。在支座底板上开长圆孔，长圆孔大小可根据需要的滑移量设计。为减小支座底板和支座过渡板间的摩擦力，在支座底板和支座过渡板间设置一层聚四氟乙烯板，通过减小摩擦系数来减小滑动阻力。

网架4和网架5支座转角和水平位移较大，滑动铰支座可实现的支座转角和水平位移较小，难以满足要求，设计中采用了板式橡胶支座（图9），橡胶选用氯丁橡胶，适用温度在-25~60℃。为避免橡胶垫本身出现滑动，在上、下盖板橡胶垫周边设置限位钢条，以保证支座在橡胶垫与盖板之间粘结失效后仍能正常工作。