柬埔寨國家體育場月牙形罩棚體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

柬埔寨國家體育場月牙形罩棚體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

1牙形罩棚設(shè)計(jì)總理國家體育中心位于總理首都金邊市東北郊規(guī)劃的體育中心。項(xiàng)目建設(shè)用地16200米。該體育場的建筑形態(tài)源自當(dāng)?shù)氐凝堉畚幕?、佛教文化和傳統(tǒng)建筑造型，東西對稱設(shè)置月牙形罩棚，罩棚上覆膜材，形態(tài)呈中間高兩端低。罩棚外側(cè)支撐于獨(dú)立的環(huán)梁、斜柱結(jié)構(gòu)上，罩棚內(nèi)側(cè)由南北兩端高聳的人字形索塔通過斜拉索吊起，相應(yīng)地索塔從頂部向場外方向地面設(shè)落地背索，外墻為嵌于斜柱間的穿孔板索幕墻。罩棚最大懸挑跨度約65m;支撐罩棚的環(huán)梁平面上近似圓形，南北跨度約278m，東西跨度約270m，環(huán)梁中部高兩端低，梁頂標(biāo)高為26.0～39.9m;人字形索塔向場外傾斜，頂標(biāo)高為99m?？磁_建筑平面為圓形，外輪廓直徑約306m，地上共5層，無地下室，在二層標(biāo)高6.9m處設(shè)疏散平臺。荷載基本情況見文獻(xiàn)2罩棚體系的設(shè)計(jì)柬埔寨體育場的結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示，建筑設(shè)計(jì)斜柱最大懸臂高度33m，與豎直方向的最大傾角為23°，疏散平臺以上支撐罩棚的斜柱與內(nèi)部看臺距離較遠(yuǎn)，水平距離超過10m。疏散平臺以下為整體結(jié)構(gòu);對疏散平臺以上結(jié)構(gòu)體系比選了整體和分離兩種方案，即比較看臺頂部與斜柱之間設(shè)置和不設(shè)置連系梁的區(qū)別(圖2所示虛線為連系梁位置)。設(shè)置連系梁時(shí)結(jié)構(gòu)具有較大的整體剛度，但罩棚差異較大的徑向力全部通過連系梁傳至看臺，不同結(jié)構(gòu)單元看臺受力復(fù)雜，同時(shí)所需連系梁截面較大，不符合建筑效果;不設(shè)置連系梁時(shí)看臺體系與罩棚體系單獨(dú)受力，罩棚體系傳力直接，并且可充分利用環(huán)梁、斜柱自重及環(huán)梁軸向剛度整體平衡部分罩棚徑向拉力，同時(shí)能夠保證建筑內(nèi)部通透的視覺效果。綜上，最終方案確定罩棚與看臺分離自成體系。罩棚體系采用了新型的斜拉-張力結(jié)構(gòu)體系，由索塔、斜拉索、背索、張力罩棚、環(huán)梁、斜柱等組成，如圖3所示。張力罩棚靠近體育場內(nèi)側(cè)由索塔支撐的斜拉索吊起，罩棚外側(cè)則由環(huán)梁、斜柱結(jié)構(gòu)支撐。斜拉-張力結(jié)構(gòu)體系:從平面看，斜拉索、罩棚內(nèi)環(huán)構(gòu)件和徑向構(gòu)件及環(huán)梁可形成與環(huán)形索桁張力結(jié)構(gòu)新型結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)了建筑形體創(chuàng)新的需求，但同時(shí)也帶來結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的問題，后文詳細(xì)闡述結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化過程。3支撐結(jié)構(gòu)方案和優(yōu)化3.1環(huán)索閉合方案首先對內(nèi)環(huán)構(gòu)件的材料形式進(jìn)行了方案比選，比較了索、鋼管、鋼管內(nèi)穿索等各種方案?？紤]到內(nèi)環(huán)構(gòu)件以受軸拉力為主，高強(qiáng)度的索在節(jié)材、受力、施工等各方面表現(xiàn)更優(yōu)，因此選用索結(jié)構(gòu)方案，將其稱為環(huán)索。常見的“內(nèi)拉外壓”環(huán)形索桁張力結(jié)構(gòu)是一種自平衡的結(jié)構(gòu)體系，這類結(jié)構(gòu)體系中索力分布均勻，外環(huán)梁基本只承受壓力作用。但柬埔寨體育場罩棚結(jié)構(gòu)并不是這類理想的自平衡結(jié)構(gòu)體系，由于斜拉索的存在，罩棚體系內(nèi)的索力呈現(xiàn)中間大兩端小的特點(diǎn)(圖5，圖中環(huán)索分段號從北至南依次編為1～19)。針對索力不均勻分布的特點(diǎn)，進(jìn)一步評估了環(huán)索閉合方案。環(huán)索閉合方案能夠改善索力分布不均勻的現(xiàn)象，但是相應(yīng)地環(huán)索的豎向高差變小(圖6)，結(jié)構(gòu)體系抗風(fēng)吸力的能力明顯減弱，另外，環(huán)索閉合方案中罩棚的形態(tài)與建筑效果差別較大，綜合考慮還是采用環(huán)索不閉合的原建筑方案。3.2環(huán)索形狀優(yōu)化方法罩棚結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化由簡化模型展開，簡化模型不考慮支撐構(gòu)件，并將罩棚徑向構(gòu)件簡化為單根徑向索，即僅由斜拉索、徑向索和環(huán)索組成，對其進(jìn)行平衡矩陣分析影響環(huán)索形狀的參數(shù)主要有:環(huán)索水平矢高和豎向矢高、徑向索與水平面夾角等，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)各參數(shù)對體系的影響比較復(fù)雜，如增大環(huán)索的豎向矢高有利于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)吸能力的提高，但同時(shí)會(huì)增加徑向索之間預(yù)張力的不均勻程度，對環(huán)梁受力不利。無法簡單地通過參數(shù)分析進(jìn)行環(huán)索形狀優(yōu)化，需要引入能主動(dòng)控制預(yù)張力分布的張力補(bǔ)償法張力補(bǔ)償法的具體流程如下:1)對初始形狀進(jìn)行平衡矩陣分析，從而得到自應(yīng)力分布，然后設(shè)定預(yù)張力水平，計(jì)算初始平衡態(tài)。2)目標(biāo)索的預(yù)張力設(shè)為P，計(jì)算實(shí)際內(nèi)力值F與P的差值ΔF=P-F。3)判別誤差ΔF/P。如果滿足精度要求，循環(huán)結(jié)束，如果不滿足精度要求，進(jìn)入4)。4)以P+ΔF作為目標(biāo)索的初始預(yù)張力，以前次內(nèi)力計(jì)算結(jié)果作為其他索的初始預(yù)張力，根據(jù)前次位移計(jì)算結(jié)果更新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算平衡態(tài)，重復(fù)步驟3)。形狀優(yōu)化是個(gè)反復(fù)的過程，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定預(yù)張力分布目標(biāo)，并利用上述張力補(bǔ)償法得到目標(biāo)形狀，然后再進(jìn)行荷載分析，根據(jù)荷載分析結(jié)果不斷修正預(yù)張力分布目標(biāo)，并最終得到合理的預(yù)張力分布及其對應(yīng)的形狀。圖7所示為某次張力補(bǔ)償法優(yōu)化前后單側(cè)罩棚徑向索預(yù)張力的分布(圖中徑向索編號從北至南依次編為1～18)，可以看出通過優(yōu)化有效改善了預(yù)張力分布不均勻、突變的問題。3.3環(huán)索索力及環(huán)索力衰減問題首先將建筑方案中斜拉索近似平行的布置方案調(diào)整為扇形布置，增加斜拉索豎向索力分量，減小斜拉索在環(huán)索方向上的索力分量，改善環(huán)索索力衰減問題。其次，因?yàn)榄h(huán)索在斜拉索節(jié)點(diǎn)處索力差較大，常見的環(huán)索連續(xù)夾具式節(jié)點(diǎn)不適用于本項(xiàng)目，需要采用環(huán)索分段式的節(jié)點(diǎn)連接方式，因此應(yīng)該盡量減少斜拉索的數(shù)量，以控制環(huán)索分段數(shù)量，將建筑方案中斜拉索與斜柱一一對應(yīng)的布置方式優(yōu)化為隔柱布置，每側(cè)斜拉索數(shù)量由36根減少為18根(圖8(a))。3.4梁端代管控方案比選從圖1所示的建筑效果圖中可以看出，罩棚呈有波峰波谷的起伏形態(tài)，此形態(tài)可以通過下述兩種方案實(shí)現(xiàn)。方案一:采用單根徑向索作為徑向構(gòu)件，罩棚的波峰形狀則通過次結(jié)構(gòu)搭建。此方案中由環(huán)索、徑向索、斜拉索組成的罩棚主結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成簡單，施工難度較小，但由于罩棚懸挑跨度大，次結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，且與主結(jié)構(gòu)連接處較難處理。方案二:徑向構(gòu)件在波谷處采用單根徑向索(簡稱谷索)，在波峰處采用與建筑形狀一致的魚腹式桁架。這種形式的優(yōu)點(diǎn)在于建筑結(jié)構(gòu)的高度統(tǒng)一，但相對于方案一，環(huán)索、魚腹式索桁架、斜拉索組成的索結(jié)構(gòu)體系施工難度更大。綜合考慮建筑效果、施工成本等因素，最終選擇方案二(圖8(a))。方案二中魚腹式桁架結(jié)構(gòu)體系可選索桁架方案和張弦梁桁架方案，通過估算，張弦梁方案的單榀成本約為索桁架方案的2倍，因此徑向構(gòu)件最終方案為:波峰處采用魚腹式索桁架，波谷處采用谷索。3.5確定三組穩(wěn)定索布置沿著罩棚波谷布置谷索，谷索在靠近環(huán)索處分叉為Y形，分別與相鄰的魚腹式索桁架、環(huán)索節(jié)點(diǎn)連接。斜拉索、魚腹式索桁架、環(huán)索和谷索構(gòu)成了罩棚的主受力體系。綜合考慮建筑效果、谷索跨度等因素，在主受力體系的基礎(chǔ)上，沿著環(huán)向通長布置三道穩(wěn)定索，每道穩(wěn)定索由交叉穩(wěn)定索和下穩(wěn)定索組成，交叉穩(wěn)定索連接魚腹式索桁架的撐桿上下節(jié)點(diǎn)與谷索，下穩(wěn)定索連接相鄰兩榀魚腹式索桁架的撐桿下節(jié)點(diǎn)，三道穩(wěn)定索在罩棚端部匯交于環(huán)梁上，如圖8(b),(c)所示。穩(wěn)定索系統(tǒng)保證了索桁架撐桿的穩(wěn)定性，另外作為谷索的約束邊界，將谷索跨度控制在合理區(qū)間，能有效控制谷索位移。3.6采用張拉信索及張拉順序確定張拉方案張力結(jié)構(gòu)的施工可行性是結(jié)構(gòu)方案是否可行的一項(xiàng)重要評判內(nèi)容，在方案階段研究了索結(jié)構(gòu)施工張拉方案，主要包括其組裝提升方案和張拉次序方案?？紤]到穩(wěn)定索等構(gòu)件數(shù)量眾多，優(yōu)先采用低空組裝整體提升的方案，避免高空作業(yè)。本項(xiàng)目主要受力索為斜拉索、環(huán)索、魚腹式索桁架的上下弦索、谷索、背索，這五類索的張拉次序是施工張拉方案研究的重要內(nèi)容。位于張拉次序最后一步的索，其張拉力要等于其成形時(shí)的索力設(shè)計(jì)值。由于環(huán)索索力設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)大于其他索，因此應(yīng)避免最后張拉環(huán)索;索塔高度將近100m，其上端操作面很小，因此也應(yīng)該避免斜拉索張拉力值過大。另外，背索和其他四類索應(yīng)實(shí)現(xiàn)同步張拉，以減少索塔受力不平衡的不利影響。根據(jù)上述的條件，最終確定了本項(xiàng)目的施工張拉方案為:低空整體拼裝，先提升安裝斜拉索、環(huán)索，通過張拉索桁架的上下弦索以及谷索成形，整個(gè)張拉過程中應(yīng)對應(yīng)張拉背索，且兩側(cè)罩棚的張拉工作應(yīng)同步對稱進(jìn)行。利用動(dòng)力松弛法對成形過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示成形過程能平穩(wěn)進(jìn)行，施工張拉方案可行3.7魚腹式索桁架斷索分析為了考察某根索突然破壞或者需要進(jìn)行更換時(shí)罩棚結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生大面積破壞甚至連續(xù)倒塌，對索力較大的斜拉索、魚腹式索桁架的弦索、環(huán)索進(jìn)行了斷索分析，分析采用ANSYS13.0軟件中的瞬態(tài)動(dòng)力分析方法。圖9所示為中間榀魚腹式索桁架下弦索破壞后變形情況，從圖中可以看出，相鄰索會(huì)發(fā)生松弛，但整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大面積失效，其他構(gòu)件的分析結(jié)果類似。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)冗余度較高，局部索的破壞或者更換不會(huì)導(dǎo)致罩棚結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。3.8源材料的用量本項(xiàng)目罩棚展開面積約3.3萬m4塔的選擇和優(yōu)化4.1索塔的初始方案索塔是建筑造型的點(diǎn)睛之筆，采用自由曲面人字造型，塔身向場外呈傾斜狀，塔身由兩個(gè)分肢組成，二者在標(biāo)高28.000m和標(biāo)高57.000m處相連，并在標(biāo)高約74.000m處合并。索塔的初始方案如圖10(a)所示，塔身沿同一曲率延伸至基礎(chǔ)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，基底將會(huì)產(chǎn)生巨大的彎矩，基礎(chǔ)無法正常設(shè)計(jì)。對塔身形狀進(jìn)行優(yōu)化，在大平臺以下將塔身反向延伸至基礎(chǔ)，縮小塔體基礎(chǔ)形心與塔身重心的距離，基底彎矩減小至原方案的1/2，優(yōu)化后塔身形狀如圖10(b)所示。4.2索塔受力影響分析由于索塔的雙曲形態(tài)，其雙肢合攏后會(huì)在各單肢基底產(chǎn)生較大水平力和扭矩。設(shè)計(jì)過程中，在兩單肢間分別考慮于標(biāo)高6.900m大平臺處和承臺頂部設(shè)置平衡厚板(圖10)，使索塔雙肢整體工作，達(dá)到自平衡的狀態(tài)，以減小基底水平力和扭矩。比較施工完成態(tài)下在不同位置設(shè)置平衡厚板對索塔單肢基底水平力、扭矩以及樁水平力分布的影響，結(jié)果如表1所示。由于大平臺與索塔之間設(shè)置后澆帶，待罩棚張拉完成后封閉后澆帶。而索塔在使用期間受力變化小，可忽略索塔與平臺之間的相互影響，故未列出承臺頂及大平臺處同時(shí)設(shè)置平衡板的工況。由分析結(jié)果可知，在大平臺處或承臺頂設(shè)置平衡厚板均可減小索塔單肢基底水平力和扭矩，從而減小單樁水平力。在承臺頂設(shè)置平衡厚板效果更為顯著，相比不設(shè)置平衡厚板的情況，索塔單肢基底水平力降低78%，扭矩降低41%，樁最大水平力降低59%。據(jù)此，在承臺頂設(shè)置平衡厚板，并在板內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力筋以平衡其所受拉力4.3確定正常使用極限時(shí)的分力背索與索塔共同抵抗罩棚斜拉索的拉力，需確定背索與索塔分擔(dān)斜拉索索力比例;確定的原則為首先確定索塔背柱在較為經(jīng)濟(jì)的含鋼率5%及配筋率1.5%情況下，滿足正常使用極限狀態(tài)的要求時(shí)所能夠承擔(dān)的水平分力，剩余部分水平分力由背索平衡，背索承擔(dān)約55%的水平分力。背索布置:結(jié)合場地、受力及索塔錨固空間等因素，綜合確定每個(gè)索塔后側(cè)配四組背索，每組背索由兩根ue788120的索組成，兩根索并排布置，間距1m，與豎直方向夾角為40°。4.4種基礎(chǔ)方案對比分析索塔基底截面形狀接近于梯形，基礎(chǔ)底板厚2.5m。索塔基底受兩個(gè)方向的彎矩、扭矩及水平力和豎向力的綜合作用。對矩形承臺均勻布樁、異形承臺均勻布樁及異形承臺非均勻布樁三種基礎(chǔ)方案進(jìn)行對比分析，在1.0恒+1.0活工況下三種方案樁反力如圖11所示。可以看出，由基礎(chǔ)受力特點(diǎn)決定，樁體并非均勻受力，對于均勻布樁方案，單樁受力小，效率低;而根據(jù)基底反力分布采用變間距布樁，可最大限度發(fā)揮單樁承載力水平，且總樁數(shù)由88根減少到46根，大幅度降低造價(jià)，故最終采用異形承臺非均勻布樁的方案。4.5鋼結(jié)構(gòu)柱方案根據(jù)索塔形狀，比選了異形鋼箱柱方案(圖12(a))、鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱方案(圖12(b))及鋼筋混凝土異形柱方案(圖12(c))。異形鋼箱柱方案:根據(jù)建筑外形，設(shè)置異形鋼箱柱，并布置多道縱向隔板，沿高度每4m布置一道橫隔板增加塔身整體剛度;另在整個(gè)截面均勻布置縱向短加勁肋以保證鋼板局部穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱方案:通過外包實(shí)現(xiàn)建筑外形，分肢點(diǎn)以下在受力比較集中的角部布置矩形鋼管柱，鋼管柱之間布置斜桿，并在三邊中部布置3道豎桿。鋼筋混凝土異形柱方案:分肢點(diǎn)以下為異形柱，在角部設(shè)置鋼骨混凝土異形柱，三邊布置混凝土墻體連接角柱。分別從受力性能和經(jīng)濟(jì)性等方面對三種方案進(jìn)行綜合比較后發(fā)現(xiàn):鋼結(jié)構(gòu)方案(異形鋼箱柱方案、鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱方案)造價(jià)為鋼筋混凝土異形柱方案的1.6～1.7倍，且鋼結(jié)構(gòu)方案加工難度大，后期維護(hù)費(fèi)用高;鋼筋混凝土異形柱方案施工工藝可以實(shí)現(xiàn)自由曲面造型，結(jié)構(gòu)具有較大的剛度。綜合考慮，最終采用鋼筋混凝土異形柱方案5斜柱彎矩的變化對罩棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，在1.0恒+1.0活+0.6降溫工況下環(huán)梁、斜柱的變形如圖13所示。環(huán)梁整體受壓彎作用，由于徑向桁架施加于環(huán)梁的拉力中部大兩端小，導(dǎo)致環(huán)梁的變形中間向里凹，兩端向外凸。斜柱受環(huán)梁變形的影響，其彎矩呈現(xiàn)出中部與兩端方向相反的特點(diǎn)，如圖14所示。常見的張力結(jié)構(gòu)體育場外環(huán)梁及柱常采用鋼結(jié)構(gòu)，但柬埔寨體育場項(xiàng)目為了增加剛度，周圈環(huán)梁、斜柱均選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)可利用混凝土自重產(chǎn)生的外傾力平衡一部分罩棚的徑向拉力(圖2)，減小斜柱柱底彎矩。對于中間及端部斜柱，平臺部位受力較大，設(shè)計(jì)中置配置鋼骨，既便于施工，也防止拉彎工況下柱底開裂6現(xiàn)澆混凝土板通江平局體育場結(jié)構(gòu)平面近似為圓環(huán)形，二層大平臺外環(huán)周長約963m，內(nèi)環(huán)周長約528m，處于露天環(huán)境。其中東、西看臺設(shè)置三層(圖2);南、北看臺設(shè)置三層，局部兩層，均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系?？磁_若按整體無縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為控制由溫度應(yīng)力引起的混凝土板開裂問題，需對樓板施加預(yù)應(yīng)力，考慮到本工程為限額設(shè)計(jì)，為控制造價(jià)，看臺設(shè)置溫度縫以減小溫度應(yīng)力。通過設(shè)置4道溫度縫將主體結(jié)構(gòu)分為東、西、南、北4個(gè)結(jié)構(gòu)單元(圖15)，大大減小混凝土板內(nèi)的溫度應(yīng)力。設(shè)縫后單個(gè)結(jié)構(gòu)單元長度超過200m，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果滿足溫控要求看臺斷開的同時(shí)罩棚體系中的外環(huán)梁及腰環(huán)梁不斷開，