深圳大運中心體育場鋼屋蓋設計優(yōu)化分析

劉瓊祥總經(jīng)理、總工程師深圳大運中心體育場

鋼屋蓋設計優(yōu)化分析1

工程簡介深圳大運動中心體育場位于深圳龍崗區(qū)，是2011年世界大學生運動會的主要體育賽事場地體育場造型猶如一顆綠色的水晶石。建筑平面圖工程概況建筑平面尺寸274m×289m,可容納6萬名觀眾。鋼屋蓋采用單層折面空間網(wǎng)格結構形式。由20個形狀相似的結構單元通過空間相互作用聯(lián)系在一起，整個結構呈雙軸對稱。整個鋼屋蓋與混凝土看臺完全脫開，由20個鑄鋼球鉸支座支承。屋蓋中間開洞尺寸180m×130m，屋蓋懸挑長度在不同區(qū)域分別為51.9m到68.4m。前端最高點34.89m，后端最高點45.90m，屋蓋形狀為馬鞍形，內環(huán)高差8.57m，外環(huán)高差12m。建筑東立面圖建筑剖面圖2 結構構成體育場屋蓋由20個形狀相近的結構單元組成，雙軸對稱。(鋼屋蓋單元編號示意圖)單元主桿件分組編號及節(jié)點命名示意每個單元由13個三角形面、19根桿件、8個節(jié)點組成。造型的凸點、凹點等構成整個結構形狀的控制點。內環(huán)點、冠峰點為焊接節(jié)點，其余節(jié)點均為鑄鋼節(jié)點。主次桿件的布置三角形面面交線是結構主桿件，斷面形式為圓管，直徑由700～1200mm不等次桿件位于主桿件四分點的連線處，斷面形式為焊接組合箱形斷面，高度450～600m。次桿件與主桿件、次桿件與次桿件之間的連接均采用剛性連接。球鉸支座鑄鋼球鉸支座底盤與水平方向夾角均為15°，該支座限制三個線位移，放松三個角位移.傳力路路徑示示意圖圖該結構構由彎彎折的的三角角形折折面形形成面面外剛剛度；；空間效效應形形成環(huán)環(huán)向力力構成成不可可見的的空間間支撐撐點；；次桿件件網(wǎng)格格提高高了折折面剛剛度，，與相相鄰折折面的的次桿桿件對對主桿桿件形形成側側向約約束；；連通的的馬道道、肩肩谷環(huán)環(huán)梁等等將20個單元元緊密密聯(lián)系系在一一起；；豎向和和水平平荷載載通過過主桿桿件的的拉、、壓、、彎等等作用用傳遞遞到支支座，，如圖所示。3結構特特點（1）結構構穩(wěn)定定問題題突出出單層結結構且且懸挑挑跨度度大，，體育育場內內部無無可見見結構構支撐撐構件件；空間作作用顯顯著，，整體體性要要求高高。G6、G16聯(lián)合作用提提供不不可見見的空空間支支點，，才能能形成成穩(wěn)定定結構構，這這就要要求結結構具具有較較強的的整體體性，，肩谷環(huán)環(huán)梁、、馬道道環(huán)梁梁、內內環(huán)梁梁設置置及與與節(jié)點點的剛剛接等等對增增強單單元之之間的的聯(lián)系系作用用較大大；3結構特特點（2）傳力力路徑徑彎折折應力集集中現(xiàn)現(xiàn)象突突出，，特別別是10根桿件件交匯匯的肩肩谷節(jié)節(jié)點，，G13（圖6）組桿桿件的的上部部彎矩矩明顯顯大于于其它它桿件件。（3）工程程技術術綜合合，難難度大大。80多噸的的超大大鑄鋼鋼節(jié)點點超過過規(guī)程程的技技術要要求承擔巨巨大荷荷載的的碗蓋蓋球的的鋼球球鉸支支座鋼板熱熱成型型厚壁壁圓管管等三三項技技術在在國內內建筑筑工程程很少少應用用。4結構主主要分分析結結果結構動動力特特性三種計計算方方法得得到的的周期期、振振型較較為接接近；；前5階振型型均表表現(xiàn)屋屋面豎豎向振振動，，體現(xiàn)現(xiàn)了立立面剛剛度較較好，，屋面面剛度度相對對薄弱弱。4結構主主要分分析結結果結構位位移風荷載載、多多遇地地震作作用下下的水水平位位移角角均遠遠遠小小于1/500，滿足足鋼結構構設計計規(guī)范要要求；；在各種種最不不利荷荷載組組合工工況下下，豎豎向位位移1/224，滿足足1/200的要求求。構件應應力比比有地震震組合合的應應力明明顯低低于無無地震震組合合，風風荷載載起控控制作作用。。整體應應力比比控制制在0.85以下，，以拉拉應力力為主主的桿桿件應應力比比不超超過0.70。5位移控控制本工程程采取取預先先起拱拱的方方法，，以減減小結結構變變形。。適應幕幕墻結結構變變形是是撓度度控制制的標標準。。主體體結構構卸荷荷后安安裝幕幕墻結結構，，其零零應力力狀態(tài)態(tài)發(fā)生生在主主體卸卸荷完完成時時主體結結構變變形與與幕墻墻應力力相關關的是是△3、△5，只要要控制制這二二項數(shù)數(shù)據(jù)，，滿足足在各各種工工況下下的變變形即即可，，體育場場鋼屋屋蓋懸懸挑撓撓度確確定為為扣除除結構構自重重的變變形控控制值值為懸懸挑跨跨度的的1/200?！?為卸荷荷后設設備、、幕墻墻、降降溫、、下壓壓風等等不利利組合合產(chǎn)生生變形形△5為卸荷荷后升升溫、、上吸吸風等等不利利組合合產(chǎn)生生變形形6結構找找形分分析6.1支座位位置調調整為了提提高抗抗傾覆覆的結結構能能力，，將支支座外外移與與肩峰峰點垂垂直，，使得得整個個結構構體系系平面面布置置合理理趨向向圓形形；增大抗抗整體體傾覆覆力臂臂，如如圖12所示，，同時時增強強了20個單元元之間間的相相互空空間作作用。。6.2內、外外環(huán)高高差調調整隨著內內環(huán)高高差由由13.60m降到8.57m，外環(huán)環(huán)高差差由17.5m降到12.0m，支座座的環(huán)環(huán)向推推力減減小13.2%；在G13桿件的的上部部應力力集中中區(qū)域域，合合成彎彎矩減減小了了6.7%，有效效改善善了應應力集集中的的狀況況。6.3冠峰、、冠谷谷高差差調整整為了提提高屋屋蓋前前端剛剛度，，增強強抗風風能力力，將將冠峰峰、冠冠谷之之間高高差從從8.5m調整到到10.7m，隨著冠冠峰、、冠谷谷之間間高差差增加加，屋屋蓋前前區(qū)的的撓度度減小小22.7%，屋面前前區(qū)與與后區(qū)區(qū)的撓撓跨比比（撓撓度與跨度度l的比值值）由由1.39降到1.10減小20.9%，顯著著改善善了屋屋面變變形不不均勻勻狀況況。7肩谷環(huán)環(huán)梁對對結構構影響響7.1動力性性能原方案案平面面變形形較大大，y方向明明顯變變長，，橢圓圓形的的洞口口變得得很狹狹長，，現(xiàn)方方案平平面變變形較較??；；屋面由由四個個波變變?yōu)槎€波波不同結結構方方案周周期對對比現(xiàn)方案案屋蓋蓋單元元之間間的聯(lián)聯(lián)系增增強，，平面面外剛剛度明明顯提提高，，相應的的第1周期縮縮短約約30%，前3個周期期減小小明顯顯不同結結構方方案風風振系系數(shù)對對比結構的的風振振效應應減小小約7%~8%，30°°、45°°風向角角分別別減小小12.4%和16.0%。7.2靜力性性能現(xiàn)方案案水平平位移移減小小45%左右，，肩峰點點最大大位移角角達到到1/800~1/1000。單元應應力集集中最最顯著著G13桿件的的內力力合力力彎矩矩呈明明顯降降低的的趨勢勢；7.3支座反反力增設肩肩谷環(huán)環(huán)梁后后，結結構支支座的的水平平推力力減小小1.9%~6.8%，豎向支支撐力力增加加2.8%~3.5%，肩谷環(huán)環(huán)梁起起到一一定的的環(huán)箍箍作用用。8結論(1)根據(jù)變變形控控制要要素和和幕墻墻結構構施工工安裝裝順序序，體體育場場鋼屋屋蓋撓撓度控控制標標準確確定為為扣除除結構構自重重的變變形值值為懸懸挑跨跨度的的1/200，經(jīng)濟濟合理理。(2)對這種種新型型結構構，結結構找找形是是非常常重要要的。。通過過結構構找形形和增增設肩肩谷環(huán)環(huán)梁前前后對對比分分析表表明：：優(yōu)化化后的的結構構周期期減小小，水水平剛剛度增增強，，支座座環(huán)向向推力力減小小，構構件彎彎矩減減小、、軸力力增大大，并并改善善了應應力集集中狀狀況。。（3）在臺臺風經(jīng)經(jīng)常出出現(xiàn)的的深圳圳，結結構自自振周周期控控制在在