连江县体育公园体育场结构设计

陈宇

【摘 要】连江县体育公园体育场主体采用钢筋砼框架结构,屋盖采用空间钢管桁架结构,最大悬挑长度28.6m.用SATWE、3D3S软件分别对主体结构及钢结构罩棚单独建模计算分析;考虑钢筋砼和钢结构协同工作,用PMSAP对结构进行整体总装计算分析;采用包络设计的方法确保各结构构件在最不利受力工况下的安全,并用抗震性能化设计方法对关键构件按设定的性能目标进行设计.文章简要介绍了看台结构中斜梁、SRC柱以及钢罩棚的设计要点,并阐述了处理看台砼结构超长引起的温度裂缝以及砼收缩裂缝所采用的一系列技术构造措施. 【期刊名称】《福建建筑》 【年(卷),期】2016(000)011 【总页数】5页(P45-49)

【关键词】体育场;整体总装分析;性能化设计;超长结构 【作 者】陈宇

【作者单位】翰林(福建)勘察设计有限公司 福建福州350000 【正文语种】中 文 【中图分类】TU3

连江县体育公园位于连江县站前大道与南江滨路交叉口，北临湿地公园，总用地面积19 733 m2，是福州市重点建设项目，全国首届青运会武术套路比赛场馆。建设有“一场两馆”(一个体育场，一个综合体育馆，一个游泳馆)和“二集中”体校，

总建筑面积66 685 m2，总投资约4.3亿元(图1)。

体育场总建筑面积26 588 m2，分东西南北4个区和1个田径场；地上2层，一层主要为体育商场、办公区、运动员及贵宾接待区，二层为观众看台，建筑总高度19.1m，共约15 180座位。东西两区设钢结构罩棚，投影面积12 716m2，罩棚悬挑长度19.6m～28.6m(图2～图3)。

体育场设置4道伸缩缝兼做防震缝，将结构分为4个结构单元(图4)。

抗震设防烈度为6度(0.05g),抗震设防类别为乙类，设计地震分组为第三组，场地类别三类，基本分压0.8kN/m2,地面粗糙度B类，结构安全等级二级。主体结构采用钢砼框架结构，支撑屋面钢结构的柱采用型钢砼柱，柱截面：1 000×1 800、1 000×1 200，其余柱采用钢砼柱，截面：500×500、600×600、800×800，框架梁截面：400×900、300×800、300×700，看台次梁截面：200×500、250×700。基础采用预应力钢砼管桩，型钢砼柱下采用4桩承台，其余柱为1～3桩承台。东、西区屋盖结构各由24榀主桁架(东西径向)+4道贯通联系桁架(南北环向)所组成空间管桁架体系。东、西区悬挑屋盖的前端在混凝土主结构柱顶各设置22个支座；在后端通过拉杆落在二层平台上，落地点设置22个销钉支座。桁架厚度根部5M,端部2.5M,根部高跨比1/5.7，桁架中部设人行马道。主体砼梁板柱强度为C30，主体钢结构、预埋板、端头板等以及柱内型钢采用Q345B钢，屋面檩条采用Q235B冷弯薄壁钢。 3.1 结构模型总装分析的重要性

体育场类结构一般都由上部大跨空间或是悬挑钢结构支撑于下部钢砼结构构成，上、下部结构是一个密不可分的整体，上部结构对下部结构既有作用又有刚度约束，下部结构对上部结构既有支撑又有效应放大。传统的上部钢结构与下部砼分开单独设计的方法存在安全隐患，既不能反映上部结构刚度对整体结构的贡献，也不能反映上部结构有限刚度对上部结构的效应放大。因此模型总装分析，才能够得到上下部

结构在各种工况作用下较为合理的效应，尤其能够揭示上部钢结构与下部砼结构连接界面结构构件的不利受力状态。 3.2 结构计算模型分析

该工程分别采用以下3种模型进行计算分析：(1)单独下部砼结构模型Ⅰ，阻尼比取0.05，SAYWE(2011版)软件计算。(2)单独上部钢结构罩棚模型Ⅱ，阻尼比取0.02，用3D3S软件计算。(3)下部砼结构与上部钢结构罩棚总装模型Ⅲ，阻尼比取0.035，用PMSAP分析。主要分析结果见表1～表2。

分析结果显示，整体模型自振周期略大于下部砼结构模型，结构整体性较好，扭转不明显，扭转主振型与第一平动主振型的周期比均小于0.9。屋面钢结构罩棚对下部结构有较大影响，整体模型计算比下部单独模型计算的地震剪力基本都有放大，特别是下部结构顶层，X、Y向分别放大1.45倍和1.38倍。由于本工程为6度设防，但风压较大，风洞试验揭示的风荷载体型系数及风振系数均较大，Ⅱ、Ⅲ模型计算结果显示，屋面钢结构部分地震作用不起控制作用，主要由风荷载、恒载、活载加温度荷载控制。综合上述结果，该设计采用以下包络设计方法：(1)模型Ⅰ与模型Ⅲ包络设计，用于结构整体分析，重点用于下部砼结构设计，整体稳定性分析以及抗震性能分析。(2)模型Ⅱ主要用于钢结构罩棚的精细计算与杆件优化设计，并比较PMSAP与3D3S的应力比情况，对3D3S杆件尺寸做出调整。 4.1 看台斜梁及SRC柱设计

由于看台斜框架梁的受力性质类似于钢筋砼斜撑，对整体结构刚度的影响较大，看台沿环向外高内低，为使结构刚度分布均匀，外到内侧依次采用刚度从大到小的方形柱。斜梁属于钢筋砼拉弯或压弯构件，配筋验算时按照拉弯或者压弯构件进行配筋计算，设计时斜梁部分的纵筋上下均以4根25通长设计，箍筋则按8@100全长加密。

该工程钢结构罩棚支撑于下部钢筋砼看台上，为保证整体结构在地震作用下有较好

的延性及承载能力，支撑柱采用型钢砼柱(SRC柱)。并采用抗震性能设计方法，按“中震弹性，大震不屈服”计算结果进行复核验算。柱截面配筋及节点细部大样见图5。

4.2 超长砼结构设计

由于体育场看台属露天结构，砼温度应力的影响不能忽视，为减小温度作用和收缩变形对钢砼结构的不利影响，防止砼裂缝的产生，设计中先采用PMSAP对砼结构进行整体温度分析，设计取施工温度20℃，温度差为±25℃，根据分析结果采取相应的构造措施(图6～图7)。

(1)看台结构沿环向根据看台阶梯设置密肋粱，板基本为小跨度单向板，板厚≥100mm，双层双向配置通长钢筋，直径不少于8mm，间距不大于200mm，并增加梁侧腰筋配筋量。

(2)设置后浇带，每隔30mm～40mm设置一道后浇带，后浇带采用比相应结构部位高一级的补偿收缩砼浇筑，在本层构件浇筑不少于2个月后，再进行封闭，封闭时间控制在气温较低时(<15℃)。

(3)砼施工前，要求施工单位提交砼浇筑方案，严格控制砼的砂率，水灰比和塌落度，减小砼水化热。

(4)在环向主次梁上设置预应力筋，按梁截面大小，分别施加0.6MPa～0.9MPa预应力。

(5)加强养护，采用覆盖草包，浇水等养护措施，保证砼在湿润条件下硬化。 5.1 屋面钢罩栅计算分析

屋面钢罩棚高度为19.1m，悬挑长度19.6m～28.6m。钢罩棚采用由钢管组成的倒三角形空间钢管桁架。模型Ⅱ、Ⅲ计算结果显示屋面钢结构罩棚构件最大应力状态非地震工况控制，而是主要由风荷载、恒、活载加温度荷载控制。因此本工程主要采用3D3S V10.0软件进行钢屋盖网架计算和构件节点设计(图8)，并比较

PMSAP与3D3S的应力比情况，对3D3S杆件尺寸做出调整。

(1)在计算模型中，桁架的腹杆为杆单元，其余主弦管和上弦支管均为梁单元。 (2)考虑恒、活、风、温、地震在内的荷载组合39种。风振系数，风荷载体型系数按风洞试验结果与《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)取值综合采用。 (3)温度荷载：考虑正负24℃的温差；对温度敏感的金属结构，根据结构表面的颜色深浅及朝向考虑太阳辐射的影响，对结构表面温度给以增大。因此温升为+30℃，温降为-24℃。

(4)下部砼结构的柱顶侧移刚度作为钢屋盖的弹性刚度输入给钢结构模型的作为边界条件。

(5)计算结果:上弦采用直径351mm～402mm圆管，下弦采用直径402mm～480mm圆管，腹杆采用直径159mm～219mm圆管。计算应力比控制在0.8以内。屋盖挑檐端部在恒+活下的最大挠度为131mm，挠度/跨度为1/218，满足规范要求。屋盖风压荷载仅用于承载力计算，在挠度计算时，不考虑风压荷载参与标准组合。

5.2 钢罩栅支座及拉杆节点设计

屋面钢结构罩棚支座及拉杆节点受力复杂，其中后拉杆落地处销轴连接是该工程设计的难点。销轴采用40Cr(屈服强度500Mpa，抗剪强度288MPa)，直径148mm；与销轴连接的耳板材质为Q420B。耳板采用埋件侧2片，拉杆侧3片的构造，在销轴上一共4个剪切面(图9～图10)。

ABAQUS软件分析表明，耳板的安全系数分别是抗拉3.0，抗剪1.7，局部承压1.4；销轴的安全系数分别是抗剪3.6，抗弯7.5。

(1) 体育场建筑由于钢，砼两种材料本身的材料特性差异，上部钢结构，下部钢筋砼结构互相之间刚度约束以及地震效应的放大，除了上下部单独建模分析外，考虑上下部协同工作，对结构进行整体总装分析，并采用包络设计的方法非常必要。

(2) 采用抗震性能化设计方法对关键构件按设定的性能目标进行设计，可提高构件的延性，确保整体结构达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

(3)体育场看台属于超长结构，结构设计中通过结构分析计算采取设置后浇带，板带配置双向拉通钢筋，环向主次梁上设置预应力筋，采用补偿收缩砼，加强养护等措施，减少了温度应力作用和砼收缩变形对钢筋砼结构的不利影响。

(4)屋面钢结构罩棚支座及拉杆节点受力复杂，在结构受力体系中起到至关重要的作用，因此节点部分的受力分析与设计是本工程钢结构设计的重点与难点，宜采用有限元应力分析进行计算设计。

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[1] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010. [2] 熊天齐.浅析体育场馆类结构的设计过程与方法[J].建筑结构技术通讯,2012(09).

[3] PMSAP复杂多、高层建筑结构分析与设计软件用户手册[Z].中国建筑科学研究院,2011(2). [4] 3D3S钢结构设计软件V10基本模块使用手册[Z].上海同磊土木工程技术有限公司,2009(09).