深圳大運中心主體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設計

1、施工技術(shù)CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2010 年 8 月第 39 卷第 8 期深圳大運中心主體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設計劉瓊祥，張建軍，郭滿良，劉臣，彭省華(深圳市建筑設計研究總院,廣東深圳518031摘要深圳大運中心體育場鋼屋蓋,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)設計新空間。重點介紹了鋼屋蓋節(jié)點 命名、傳力路徑、節(jié)點構(gòu)造以及球形支座形式。通過支座位置外移、減小內(nèi)外 環(huán)高低差、管徑及鋼材選用、抗連續(xù)倒塌設計等措施，確定結(jié)構(gòu)性能控制指標安全、合理。關(guān)鍵詞深圳大運中心；主體育場；鋼

2、屋蓋；結(jié)構(gòu)設計中圖分類號TU245文獻標識碼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 General Institute of Architectural Design and Research Co. , Ltd., Shenzhen , Guang

3、dong518031, ChinaAbstract :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 capacity of steel tubular. This saddle structure , called single-layer folded-sur

4、face 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 position , reducing height difference of inner and outer circles , choosing pipe

5、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 ; steel roof ; structural design收稿日期2010-06-10作者簡介劉瓊祥，深圳市建筑設計研究總院院長，總工 程師，深圳市福田區(qū)振華路8號設計

6、大廈22樓518031,電話：,E-mail:工程概況深圳大運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、游泳館以及體育設施,如圖1所示。圖1深圳大運中心Fig. 1Shenzhen Unversiade Sports Center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.

7、6m。冠峰、冠谷高差10. 7m ,肩谷、肩峰高差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)點采用鑄鋼節(jié)點和焊接節(jié)點,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)體系及特點單層折面空間網(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，但傳力復雜，整圖2主體育場鋼屋蓋Fig. 2Steel roof of main

8、 stadium體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定問題突出。2. 1節(jié)點命名單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的凸點、凹點等構(gòu)成整個結(jié)構(gòu)形狀的控制 點。兩控制點之間連接桿為受力桿。為介紹方便對形狀控制點命名，如圖 3所示圖3節(jié)點命名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。主桿件呈以拉壓為主的拉彎或壓彎狀態(tài)。肩 谷點之間的肩谷環(huán)梁、肩峰點與肩谷點的彎折環(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（見圖4內(nèi)環(huán)省圖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處布置次結(jié)構(gòu)桿件，相互交錯形

9、成網(wǎng)格，次桿件與主桿件剛接增強了對主桿件的側(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 secondarymembers2. 4節(jié)點該體系的特點是建筑形狀控制點十分突出，該部位是桿件的節(jié)點交 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、應力集中，焊接質(zhì)量難以保證。因此部分節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點，對于形式比較簡單的節(jié)點采用焊接節(jié)點。2. 5球形支座體育場共有20個球形支座，將支座設計為球鉸支承，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F

10、ig. 6Spherical support其中最大的支座豎向反力18930kN ,最大水平推力15630kN。球形支座坐落在標高6m的鋼筋混凝土平 臺上，與強大的豎向構(gòu)件共同提供環(huán)向和徑向約束，抵抗水平推力，承擔豎向荷 載。3鋼屋蓋的設計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,給設計工 作提出了挑戰(zhàn)。通過計算分析、研究,對結(jié)構(gòu)形式進行調(diào)整（簡稱找 形。同時在不影響建筑效果的地方，加強側(cè)向連接，對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、合理性、抗風性能、抗震性能等 都有改善o 3. 1結(jié)構(gòu)找形3. 1. 1支座位置外移支座點的外移使得整

11、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?qū)︸R鞍形屋面進行多方面分析，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?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

12、. 1. 3側(cè)向剛度設計問題20個結(jié)構(gòu)單元之間除了內(nèi)環(huán)梁外，側(cè)向幾乎無任何約束，整個結(jié)構(gòu)好似 一個活動手風琴，在側(cè)向力作用下結(jié)構(gòu)就會發(fā)生較大變形。通過反復計算 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)點上；20個支座下的鋼筋混凝土平臺環(huán)形剛度適當加大，減小鋼筋 混凝土變形對上部鋼屋蓋的影響；增設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，增強了抗 風、抗震能力。3. 1. 4冠峰點適當外移冠峰點適當外移使細長壓桿長度從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，

13、并增 加空間作用。3. 1. 5適當加大冠峰、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 before 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

14、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、屋面面積確定后，管徑也隨之確定下來?？紤]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，以及鋼材物理力學性能，做到優(yōu)化設計。通過 設計比較，鋼材主要采用Q345GJB ,徑厚比在10 20采用熱卷，大于20采用冷 卷O3. 3抗連續(xù)倒塌設計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，

15、當剩余結(jié)構(gòu)承 載力遠小于外部作用力時，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。通過上述設計的調(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)的設計不盡相同。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,從而減少風振 效應,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)

16、格結(jié)構(gòu)在過去工程實踐中未遇到，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,對于臺風肆虐的深圳，新型結(jié)構(gòu)體系設計指 標控制十分重要。位移的控制主要表現(xiàn)在使用要求,與圍護結(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、承載能力的另一種表現(xiàn)形式。周期是結(jié)構(gòu)固有的動力特性，與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布有關(guān)。地 震、風荷載的結(jié)構(gòu)響應與周期有密切關(guān)系。因此通過整體穩(wěn)定分析、局 部穩(wěn)定分析、風時程分析、大震彈塑性動力時程分析、節(jié)點分析,整體、節(jié)點 模型試驗、多次組織國內(nèi)外知名專家研討，確定了合理的結(jié)構(gòu)控制性能指標。本 工程周期控制在1. 2s以內(nèi)，撓度變形1/150左右,是合理、安全的。深圳大 運中心主體育場桿件受到原設計方案控制，超乎平常選用了大直徑圓形