徐州市奧體中心體育場(chǎng)環(huán)向懸臂索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系

國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)——徐州市奧體中心體育場(chǎng)環(huán)向懸臂索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系徐州市奧體中心體育場(chǎng)采用新型雜交空間結(jié)構(gòu)——環(huán)向懸臂索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式與弦支穹頂相似，由上部的單層網(wǎng)殼和下部索桿體系組合而成，目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相同的結(jié)構(gòu)體系可借鑒。徐州奧體中心由中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，以“山水相依、五省通衢”為理念，采取山環(huán)水抱、山水相依的規(guī)劃格局，以象征交通樞紐、極具速度感的中央景觀統(tǒng)率全局；建筑以“玉”和“帛”為構(gòu)思源泉，將古玉和絲綢的氣質(zhì)融入建筑造型中，體現(xiàn)昔日兵家必爭(zhēng)之地、今朝“化干戈為玉帛”的和平主題；立面裝飾徐州市樹(shù)——銀杏樹(shù)葉的抽象圖案。1工程概況徐州市奧體中心位于徐州市新城區(qū)漢源大道和峨眉山路交叉口，該項(xiàng)目包括體育場(chǎng)、綜合訓(xùn)練館、球類館、游泳跳水館、配套服務(wù)設(shè)施及地下車庫(kù)6個(gè)單體建筑，總占地面積為472800㎡，總建筑面積為205513㎡，建成后將作為江蘇省第十八屆省運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)。其中體育場(chǎng)面積為51240㎡，是奧體中心最大的單體建筑，可以容納3.5萬(wàn)人觀看比賽，其建筑效果圖見(jiàn)圖1。圖1徐州市奧體中心體育場(chǎng)2結(jié)構(gòu)體系徐州市奧體中心體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)形式為環(huán)向懸臂索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式與弦支穹頂相似，將其作為弦支穹頂?shù)难苌w，適用于超大型的體育場(chǎng)及其他公共建筑。徐州市奧體中心體育場(chǎng)平面外形類似橢圓形，結(jié)構(gòu)水平投影尺寸約為263m×243m，中間是類似橢圓形的開(kāi)口，開(kāi)口尺寸約為200m×129m。體育場(chǎng)屋蓋最大懸挑長(zhǎng)度約為40m，最小懸挑長(zhǎng)度為16m，高度為43.277m，整個(gè)結(jié)構(gòu)沿東西和南北方向?qū)ΨQ分布。徐州市奧體中心體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)整體模型見(jiàn)圖2。圖2徐州市奧體中心體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)整體模型2.1立面和屋蓋上弦結(jié)構(gòu)徐州市奧體中心體育場(chǎng)立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由交叉支撐柱、雙向網(wǎng)格和三向網(wǎng)格三部分組成。標(biāo)高0.000~9.900m間的結(jié)構(gòu)是由圓形截面為φ（1000～600）×35或φ（1000～600）×18的交叉支撐柱構(gòu)成的支撐體系，交叉柱的交叉點(diǎn)由連接板與2層看臺(tái)混凝土梁相連接；標(biāo)高9.900~25.500m間的結(jié)構(gòu)是由圓形截面為φ600×30，φ600×18鋼管組成的雙向網(wǎng)格單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；標(biāo)高25.500m到馬鞍形大環(huán)梁之間的結(jié)構(gòu)是由箱形截面□600×300×16，□500×250×16鋼管與圓形截面φ351×16，φ351×14鋼管組成的三向網(wǎng)格單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。屋蓋為馬鞍形雙曲面，開(kāi)口處最高點(diǎn)標(biāo)高為43.277m，最低點(diǎn)標(biāo)高為35.465m。上弦結(jié)構(gòu)由84榀徑向梁和5圈環(huán)向梁組成，徑向梁箱形截面為□600×300×16，□500×250×16，環(huán)向梁箱形截面為□600×350×20，□500×350×20。主體結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)均為Q345B。2.2屋蓋下弦結(jié)構(gòu)屋蓋下弦結(jié)構(gòu)由撐桿和拉索組成。撐桿最大圓形截面為φ325×16，最長(zhǎng)長(zhǎng)度約為11m。屋蓋拉索采用了42根徑索和1圈環(huán)索，徑索規(guī)格為φ90，φ100和φ127，最小長(zhǎng)度約為17m，最大長(zhǎng)度約為28m，其中20φ90徑索位于東西方向，6φ100徑索位于南北方向，16φ127徑索位于四個(gè)拐角方向；1圈環(huán)索由6φ121拉索組成，每根長(zhǎng)度約為587m，由4段組成，分段點(diǎn)分別在體育場(chǎng)的東南、東北、西南和西北角。體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋下弦結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖3。圖3屋蓋下弦結(jié)構(gòu)平面布置圖環(huán)索分布也呈馬鞍形，最高點(diǎn)位于懸挑長(zhǎng)度最小的南北方向，最低點(diǎn)位于懸挑長(zhǎng)度最大的東西方向，標(biāo)高相差約為1.8m。另外東西兩側(cè)各有4根斜索，規(guī)格為φ70。拉索采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絞線，強(qiáng)度為1670N/mm2。體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)剖面圖見(jiàn)圖4。圖4體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)剖面圖3索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系屋蓋一般為封閉的單層剛性網(wǎng)殼，通過(guò)固定或滑動(dòng)支座連接在下部的支撐結(jié)構(gòu)體系上，而索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系與弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系最大的區(qū)別在于該結(jié)構(gòu)體系屋蓋結(jié)構(gòu)徑向鋼梁與周圍支撐結(jié)構(gòu)為銷軸連接（圖5），而屋蓋為開(kāi)口形式，則徑向鋼梁變?yōu)閼冶蹣?gòu)件。圖5徑向鋼梁與大環(huán)梁連接節(jié)點(diǎn)三維圖不考慮結(jié)構(gòu)非線性影響，屋蓋結(jié)構(gòu)在自重工況下最大豎向位移為-2388mm（圖6）。采用索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，屋蓋懸挑梁根部的彎矩得到了釋放，鋼拉索構(gòu)件成為主要的受力構(gòu)件，懸挑梁的截面就可以減小，結(jié)構(gòu)變得輕巧，大大地減少了屋蓋結(jié)構(gòu)的用鋼量。以徐州市奧體中心體育場(chǎng)為例，整個(gè)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)用鋼量約為9300t，而屋蓋結(jié)構(gòu)的鋼用量?jī)H為2759t，與類似懸挑長(zhǎng)度體育場(chǎng)屋蓋的用鋼量相比，節(jié)省了鋼材將近2000t。圖6無(wú)索情況下結(jié)構(gòu)自重工況的豎向變形/mm4關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)4.1索夾節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)原則索夾節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)原則：除了要考慮節(jié)點(diǎn)的變形和應(yīng)力外，還要考慮節(jié)點(diǎn)的抗滑移能力。鋼拉索構(gòu)件在張拉施工過(guò)程中為保證預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，要求索體在索夾中能滑動(dòng)；而在預(yù)應(yīng)力張拉施工完成后，為保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，必須使用高強(qiáng)螺栓鎖住索夾，保證索體在索夾中不產(chǎn)生滑動(dòng)。4.2鑄鋼索夾節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)環(huán)索索夾除了要連接1根徑向索和6根環(huán)向索以外，還要連接1根豎向撐桿和2根斜撐桿，構(gòu)造也比較復(fù)雜，環(huán)索索夾三維圖和實(shí)景圖見(jiàn)圖7。圖7環(huán)索索夾索夾采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，材質(zhì)為G20Mn5N，熱處理后強(qiáng)度不小于Q345B材料的力學(xué)性能。徑索最大直徑為127mm。4.3鑄鋼索夾節(jié)點(diǎn)的抗滑移性能徐州市奧體中心體育場(chǎng)的環(huán)索分布成馬鞍形狀，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)標(biāo)高相差約為1.8m，因此鑄鋼索夾節(jié)點(diǎn)的不平衡力較大。需通過(guò)試驗(yàn)確定鋼蓋板實(shí)際抗滑移能力，即其對(duì)索體形成的約束程度。徑索、環(huán)索索夾試驗(yàn)照片見(jiàn)圖8。（a）徑索索夾試驗(yàn)（b）環(huán)索索夾試驗(yàn)圖8徑索、環(huán)索索夾試驗(yàn)照片5預(yù)應(yīng)力施加仿真分析采用MIDAS/Gen軟件預(yù)應(yīng)力施加仿真分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖9。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)的安裝順序：先在42榀下弦有拉索的徑向梁端部和東西看臺(tái)徑向梁的中部搭設(shè)支撐胎架，然后安裝屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和鋼拉索，待整