深圳大運(yùn)中心主體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、58施 工 技 術(shù)CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2010年 8月 第 39卷 第 8期深圳大運(yùn)中心主體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劉瓊祥 , 張建軍 , 郭滿良 , 劉 臣 , 彭省華(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院 , 廣東 深圳518031摘要 深圳大運(yùn)中心體育場鋼屋蓋 , 充分發(fā)揮鋼管的受拉受壓特性 , 將單層三角形網(wǎng)格 , 通過空間折面的方法 , 使 之整體成為馬鞍形單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu) , 這種新 的 結(jié) 構(gòu) 體 系 , 開 辟 了 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 新 空 間 。 重 點(diǎn) 介 紹 了 鋼 屋 蓋 節(jié) 點(diǎn) 命名 、 傳力路徑 、 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及球形支座形式 。 通過支座位置外移 、 減小

2、內(nèi)外環(huán)高低差 、 管徑及鋼材選用 、 抗連續(xù)倒 塌設(shè)計(jì)等措施 ,確定結(jié)構(gòu)性能控制指標(biāo)安全 、 合理 。 關(guān)鍵詞 深圳大運(yùn)中心 ; 主體育場 ; 鋼屋蓋 ; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中圖分類號 TU245文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1002-8498(2010 08-0058-03Structural Design for Steel Roof of Shenzhen Universiade Sports Center Main StadiumLiu Qiongxiang , Zhang Jianjun , Guo Manliang , Liu Chen , Peng Shenghua(Shenzhen Gene

3、ral Institute of Architectural Design and Research Co. , Ltd. , Shenzhen , Guangdong518031, China Abstract :The steel roof , designed for Shenzhen Universiade Sports Center Main Stadium is composed of single triangular grid by folding method , and is made the best of tensile and compressive bearing

4、capacity of steel tubular. This saddle structure , called single-layer folded-surface spatial grid structure , is a new structural design. The joint naming , path of force transfer , joint structure and spherical support type of steel roof are introduced in detail. Through outer transfer of support

5、position , reducing height difference of inner and outer circles , choosing pipe dimension and steel material and continuous collapse resistance , the control indexes for structural performance are verified to be safe and reasonable.Key words :Shenzhen Universiade Sports Center ; main stadium ; stee

6、l roof ; structural design 收稿日期 2010-06-10作者簡介 劉瓊祥 , 深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院院長 , 總工程師 ,深圳市 福 田 區(qū) 振 華 路 8號 設(shè) 計(jì) 大 廈 22樓 518031, 電 話 :(0755 83785288, E-mail :liu. qxszonline. net1工程概況深圳大運(yùn) 中 心 位 于 深 圳 龍 崗 區(qū) , 占 地 1. 2km 2, 包 括主體育場 、 主 體育 館 、 游 泳 館 以 及 體 育 設(shè) 施 , 如 圖 1所示 。圖 1深圳大運(yùn)中心Fig. 1Shenzhen Unversiade Sports Cen

7、ter主體育場屋蓋 采 用 單 層 折 面 空 間 網(wǎng) 格 結(jié) 構(gòu) , 由 形 狀各異的三角 形 網(wǎng) 格 以 多 種 傾 斜 姿 態(tài) 交 替 彎 折 , 互 相 聯(lián)系在一起 , 如圖 2所 示 。 場 內(nèi) 固 定 座 位 可 容 納 6萬 多人 ,平面尺寸為 285m 270m , 由 20個形狀相似的結(jié) 構(gòu)單元通過空 間 相 互 作 用 聯(lián) 系 在 一 起 , 屋 蓋 懸 挑 長 度在不同區(qū)域分別為 51. 9 68. 4m 。 屋 蓋 結(jié) 構(gòu) 形 狀 為 馬 鞍形 , 外圈高差為 12m , 內(nèi) 圈 高 差 為 8. 6m 。 冠 峰 、 冠 谷 高差 10. 7m ,肩谷 、 肩峰高差

8、15. 5m 。 主 結(jié) 構(gòu) 桿 件 為 圓 管 , 大 部 分 直 徑 為 700 1200mm , 局部 1400mm 。 次 桿 件 為 焊 接 箱 形 斷 面 , 高 度 450 600mm 。 主結(jié) 構(gòu) 節(jié) 點(diǎn) 采 用 鑄 鋼 節(jié) 點(diǎn) 和 焊 接 節(jié) 點(diǎn) , 次桿件與主 桿 件 采 用 剛 性 連 接 。 整 個 鋼 屋 蓋 與 混 凝土看臺完全 脫 開 , 由 20個 球 鉸 支 座 支 承 , 球 鉸 支 座 支承坐落在標(biāo)高 6m 的 鋼 筋 混 凝 土 平 臺 上 。 屋 面 板 材 料選用自重較輕的聚碳酸酯板 ,內(nèi)部張拉膜采用 PTFE 涂層玻璃纖維膜 。 2結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)單

9、層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系充分發(fā)揮了鋼管的受 拉受壓特性 ,形狀輕巧 , 空間作用顯著 , 但傳力復(fù)雜 , 整 圖 2主體育場鋼屋蓋 Fig. 2Steel roof of main stadium體穩(wěn)定 、 局部穩(wěn)定問題突出 。 2. 1節(jié)點(diǎn)命名單層折面空間 網(wǎng) 格 結(jié) 構(gòu) 的 凸 點(diǎn) 、 凹 點(diǎn) 等 構(gòu) 成 整 個 結(jié)構(gòu)形狀的控 制 點(diǎn) 。 兩 控 制 點(diǎn) 之 間 連 接 桿 為 受 力 桿 。 為介紹方便對形狀控制點(diǎn)命名 , 如圖 3所示 。圖 3節(jié)點(diǎn)命名 Fig. 3Joint naming2. 2傳力路徑建筑外部水平和豎向荷載通過空間折面相交的肋桿即主桿傳遞到底部支座上 。 主桿件呈以拉

10、壓為主的 拉彎或壓彎狀 態(tài) 。 肩 谷 點(diǎn) 之 間 的 肩 谷 環(huán) 梁 、 肩 峰 點(diǎn) 與 肩谷點(diǎn)的彎折環(huán)梁以及封閉的馬道環(huán)梁對整個結(jié)構(gòu)提 供側(cè)向空間支點(diǎn) (見圖 4 。圖 4傳力路徑 Fig. 4Transfer path of force2. 3三角形網(wǎng)格在三角形主桿 件 的 四 分 點(diǎn) 處 布 置 次 結(jié) 構(gòu) 桿 件 , 相互交錯形成網(wǎng) 格 ,次 桿 件 與 主 桿 件 剛 接 增 強(qiáng) 了 對 主 桿 件的側(cè)向約束 , 提高了主桿件的空間側(cè)向穩(wěn)定性 , 如圖 5所示 。 圖 5主 、 次桿件網(wǎng)格 Fig. 5Net formed with main and secondarymember

11、s2. 4節(jié)點(diǎn)該 體 系 的 特 點(diǎn) 是 建 筑形狀控制點(diǎn)十 分 突 出 , 該 部 位 是 桿 件 的 節(jié) 點(diǎn) 交 匯處 ,最 多 處 有 10根 桿 件交匯 , 給焊接帶 來 很 大 困 難 ,焊 縫 重 疊 、 應(yīng) 力 集 中 , 焊 接 質(zhì) 量 難 以 保 證 。因 此 部 分 節(jié) 點(diǎn) 采 用 鑄 鋼 節(jié)點(diǎn) ,對于形式比 較 簡 單 的節(jié)點(diǎn)采用焊接節(jié)點(diǎn) 。 2. 5球形支座體育場共有 20個球形支座 , 將支座設(shè)計(jì)為球鉸支 承 , 釋放彎矩作用 , 避免混凝土構(gòu)件受彎 ; 同時 , 為抵抗 支座的水平推力 , 將支座頂面做成一斜面 (見圖 6 。圖 6環(huán)形支座 Fig. 6Spheri

12、cal support其 中 最 大 的 支 座 豎 向 反 力 18930kN ,最 大 水 平 推 力 15630kN 。 球 形 支 座 坐 落 在 標(biāo)高 6m 的 鋼 筋 混 凝 土 平 臺 上 ,與強(qiáng)大的豎向構(gòu)件共同 提 供環(huán)向和徑向約束 , 抵抗水 平 推力 , 承擔(dān)豎向荷載 。 3鋼屋蓋的設(shè)計(jì)與研究 鋼屋蓋頂呈現(xiàn)的 水 晶 石 , 是由不 同 尺 寸 的 單 層 三 角 形網(wǎng)格按一定傾斜 角 “ 折 ”后 組 成 的 。 結(jié) 構(gòu) 單 元 之 間 受 建筑影響 側(cè) 向 無 任 何 約 束 , 給 設(shè) 計(jì) 工 作 提 出 了 挑 戰(zhàn) 。 通過計(jì)算 分 析 、 研 究 , 對 結(jié) 構(gòu)

13、形 式 進(jìn) 行 調(diào) 整 (簡 稱 找 形 。 同時在不影 響 建 筑 效 果 的 地 方 ,加 強(qiáng) 側(cè) 向 連 接 , 對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì) 性 、 合 理 性 、 抗 風(fēng) 性 能 、 抗 震 性 能 等 都 有 改善 。 3. 1結(jié)構(gòu)找形 3. 1. 1支座位置外移支座點(diǎn)的外移使得整個結(jié)構(gòu)體系在平面上盡量接 近圓形 ; 調(diào)整了 豎 直 支 柱 傾 角 , 增 大 抗 整 體 傾 覆 力 臂 , 提高抗整體傾 覆 的 能 力 , 同 時 , 增 強(qiáng) 了 20個 單 元 之 間 的相互空間作用 。 3. 1. 2減小內(nèi) 、 外環(huán)高低差分析利用多個程序 對 馬 鞍 形 屋 面 進(jìn) 行 多 方 面 分 析

14、, 證 明馬鞍形屋面受力合理 。 但是內(nèi) 、 外環(huán)高差過大 , 荷載 增大引起拱推力過大 ,在桿截面大致相當(dāng)?shù)那闆r下 , 部 分桿件先破壞 ; 高 低 差 過 小 , 空 間 作 用 不 明 顯 , 單 元 懸 挑小的構(gòu)件未發(fā)揮作用 , 單元懸挑大的構(gòu)件首先破壞 ,也是不合理的 。 合理的高低差是十分重要的 。 計(jì)算表 明 :內(nèi) 環(huán) 高 低 差 由 13. 6m 降 到 8. 57m , 外 環(huán) 高 低 差 由 17. 5m 降到 12m , 在一定荷載 情 況 下 , 撓 度 控 制 和 內(nèi) 力 均勻方面都有改善 。3. 1. 3側(cè)向剛度設(shè)計(jì)問題20個結(jié)構(gòu)單元之間 除 了 內(nèi) 環(huán) 梁 外 ,

15、 側(cè) 向 幾 乎 無 任 何約束 , 整個結(jié)構(gòu)好似一個活動手風(fēng)琴 , 在側(cè)向力作用 下結(jié)構(gòu)就會發(fā) 生 較 大 變 形 。 通 過 反 復(fù) 計(jì) 算 分 析 , 經(jīng) 多 次研討后 , 提出 : 利 用 馬 道 環(huán) 作 為 側(cè) 向 第 1支 撐 , 剛 接在單層網(wǎng)格下節(jié)點(diǎn)上 ; 20個支座下的鋼筋混凝土 平臺環(huán)形剛度 適 當(dāng) 加 大 , 減 小 鋼 筋 混 凝 土 變 形 對 上 部 鋼屋蓋的影響 ; 增 設(shè) 1道 肩 谷 環(huán) , 肩 谷 環(huán) 加 上 之 后 , 同時增加了結(jié) 構(gòu) 抗 連 續(xù) 倒 塌 的 性 能 要 求 , 改 善 了 結(jié) 構(gòu) 動力性能 , 增強(qiáng)了抗風(fēng) 、 抗震能力 。3. 1. 4

16、冠峰點(diǎn)適當(dāng)外移冠峰點(diǎn)適 當(dāng) 外 移 使 細(xì) 長 壓 桿 長 度 從 53m 減 小 到 48m , 受力趨向 合 理 , 增 大 肩 谷 -冠 谷 桿 與 肩 峰 -冠 谷 桿 間夾角 , 使其作用更有效 , 利于施工 , 并增加空間作用 。 3. 1. 5適當(dāng)加大冠峰 、 冠谷之間高差冠峰 、 冠谷之 間 高 差 從 8. 5m 調(diào) 整 到 10. 7m , 且 內(nèi) 環(huán)梁直徑從 600mm 提高到 800mm , 提高了整體承載力 及屋蓋前端的面外剛度和整體性 。 對前端抗風(fēng)起到重 要作用 。 形狀調(diào)整前后參數(shù)如表 1所示 。表 1形狀調(diào)整前后參數(shù)Table 1Parameters befo

17、re and after shape adjustment狀態(tài) 屋蓋平面 /m單元懸挑長度 /m馬鞍形內(nèi) 、外環(huán)高差 /m肩谷肩峰 高差 /m調(diào)整前 290 2712045 7313. 6/17.515. 0調(diào)整后 285 2702051. 9 68. 48. 6/12.015. 5狀態(tài) 冠谷冠峰高差 /m馬道是否連通有無肩谷環(huán)各桿間最小角度 /( 壓桿長度 / m調(diào)整前 8. 5否 無 2853調(diào)整后 10. 7是 有 30483. 2管徑 、 徑厚比 、 鋼材選用深圳大運(yùn)中心 主 體 育 場 屋 蓋 主 桿 件 , 按 建 筑 要 求 選用圓形 。 一旦懸挑長度 、 體育場規(guī)模 、 屋面面

18、積確定 后 , 管徑也隨之確定下來 。 考慮到視角觀感要求 , 建筑 需要各主桿管徑在 1. 2 1. 4m 最 理 想 , 按 最 大 不 超 過 1. 4m 管徑選擇合 適 徑 厚 比 , 選 擇 合 適 鋼 材 , 以 及 鋼 材 物理力學(xué)性能 , 做到優(yōu)化設(shè)計(jì) 。 通過設(shè)計(jì)比較 , 鋼材主 要采用 Q345GJB , 徑厚比 在 10 20采 用 熱 卷 , 大 于 20采用冷卷 。3. 3抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)建筑物在使用 過 程 中 , 特 定 的 偶 然 作 用 發(fā) 生 時 或 發(fā)生后 , 當(dāng)剩余結(jié)構(gòu)承載力遠(yuǎn)小于外部作用力時 , 會發(fā) 生大范圍破壞 或 連 續(xù) 倒 塌 。 該 結(jié) 構(gòu) 分

19、 析 表 明 :一 個 支 座或任何一根 主 要 受 力 桿 失 效 情 況 下 , 結(jié) 構(gòu) 不 至 于 連 續(xù)倒塌 。通過上述設(shè)計(jì) 的 調(diào) 整 表 明 :這 種 全 新 的 結(jié) 構(gòu) 體 系 與過去常用懸 挑 構(gòu) 件 、 空 間 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 不 盡 相 同 。 不 是簡單地增加懸挑構(gòu)件的截面積就能解決問題 。 此工 程中 , 大多數(shù)情況下是解決不了的 , 加大截面容易造成 死循環(huán) ; 也不是加大跨高比就能提高結(jié)構(gòu)的整體剛度 , 結(jié)構(gòu)體系側(cè)向約束 、 次桿的支撐 、 各三角形折面間夾角 變化 , 是影響整體剛度更直接的原因 。側(cè)向約束構(gòu)件 包 括 肩 谷 環(huán) 等 , 能 顯 著 減 少 結(jié) 構(gòu) 自 振周期 , 從而減少風(fēng)振效應(yīng) , 是防止連續(xù)倒塌分析的關(guān) 鍵構(gòu)件 。4位移 、 周期控制由于單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在過去工程實(shí)踐中未 遇到 , 現(xiàn) 有 國 內(nèi) 外 規(guī) 范 、 規(guī) 程 也 找 不 到 相 關(guān) 規(guī) 定 。 但 是 , 對于臺風(fēng)肆虐的深圳 , 新型結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)指標(biāo)控制 十分重要 。位移的控制主 要 表 現(xiàn) 在 使 用 要 求 , 與 圍 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 材 料變形 、 人的觀 感 等 有 關(guān) , 但 也 是 結(jié) 構(gòu) 的 剛 度 、 承 載 能