運河亞運公園館曲棍球場大跨鋼罩棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

2023年9月23日，第19屆亞洲運動會在杭州開幕！2021年4月26日，由浙江省建筑設(shè)計研究院和美國Archi-Tectonics公司聯(lián)合設(shè)計，位于浙江省杭州市拱墅區(qū)的運河亞運公園項目正式竣工。運河亞運公園是集休閑綠地、體育場館、商業(yè)街區(qū)于一體的大型綜合性城市公園。主要建筑包括“國球中心"體育館(第19屆杭州亞運會乒乓球、霹靂舞競賽館)、“杭州傘"體育場（第19屆杭州亞運會曲棍球競賽場)、全民健身中心、全媒體中心等。1、項目概況運河亞運公園位于杭州市拱墅區(qū)申花板塊，東至學(xué)院北路、西至豐潭路、南至申花路、北至石祥路，占地701畝，總建筑面積18.5萬，以育英路為界，分為南北兩個核心區(qū)域：7500座容量的體育館位于南區(qū)域，為第19屆杭州亞運會乒乓球、霹靂舞比賽場館；5000座容量的曲棍球場位于北區(qū)域，為第19屆杭州亞運會曲棍球比賽場館；南北區(qū)之間通過下穿育英路的商業(yè)長廊廣場連接形成整體公園。運河亞運公園曲棍球場位于公園北區(qū)，結(jié)構(gòu)平面形狀為橢圓形，屋面結(jié)構(gòu)體系為鋼桁架拱結(jié)構(gòu)，是北區(qū)的中心建筑，賽后為綜合室外體育場。因其鋼罩棚的建筑形態(tài)取意于江南的油紙傘，被大家親切地稱為“杭州傘”。2、設(shè)計概念江南油紙傘中國制傘歷史悠久，最早的傘相傳由魯班的妻子云氏發(fā)明。紙出現(xiàn)以后，人們在傘紙上刷桐油用來防水的油紙傘。宋時稱綠油紙傘。以后歷代均有改進，最后形成今天的大眾用品，使用至今已1000多年。曲棍球場罩棚的建筑形態(tài)取意于江南的油紙傘。幾何上屬于直紋面。罩棚與油紙傘具有相似的使用功能：一個輕盈、圓潤而優(yōu)雅的造型頂為使用者提供遮蓋，并提供良好的微型氣候?！鴪D片來源：張虹3、結(jié)構(gòu)設(shè)計概況運河亞運公園曲棍球場設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值0.10g，設(shè)計地震分組第一組，場地類別Ⅲ類，建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，100年一遇的風(fēng)壓值為0.50kN/m2，地面粗糙度類別為C類，并委托浙江大學(xué)進行了風(fēng)洞試驗。運河亞運公園曲棍球場由罩棚結(jié)構(gòu)與看臺結(jié)構(gòu)組成，兩者完全脫離。罩棚結(jié)構(gòu)由兩個大跨度拱支撐,拱與拱之間通過拱間斜撐相連,上表面用PTFE（聚四氟乙烯）膜材料覆蓋。其中鋼結(jié)構(gòu)由平面桁架或單管連系的桁架拱及單管拱組成，拱腳相交于四個混凝土高支墩上，支座單向跨度約為120m，建筑高度約47m?？磁_結(jié)構(gòu)由看臺部分的混凝土框架結(jié)構(gòu)與入口大廳處的局部鋼結(jié)構(gòu)組成，為混合框架結(jié)構(gòu)，建筑高度約23m?！?/p>

罩棚結(jié)構(gòu)▲

看臺結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點罩棚數(shù)字化設(shè)計根據(jù)方案邏輯，罩棚的前、后兩條邊緣曲線是由兩個直立的圓柱面RS1和RS2與二個傾斜平面S1和S2曲面求交后產(chǎn)生，其中RS1與S2相交得到L2，RS2與S1相交得到L1。通過映射關(guān)系，放樣得到體育場罩棚的直紋控制曲面KS。在Rhino(犀牛)平臺，通過Grasshopper(GH)插件進行參數(shù)化建模，得到結(jié)構(gòu)計算模型。罩棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計單向平面桁架vs雙向交叉桁架通過內(nèi)部主拱采用三管桁架拱，邊拱采用單管拱的形式，并通過單管系桿連接主拱與邊拱，達到建筑師想要的邊緣輕薄的效果。在兩個主拱之間采用多個平面桁架進行連接，并布置局部單管斜系桿增強平面桁架的平面外剛度，使得兩個主拱協(xié)同工作。平行桁架形式的結(jié)構(gòu)簡單，制作安裝方便，同時膜材的裁剪張拉方便，但造型和空間性能不如斜交桁架結(jié)構(gòu)。最終基于建筑最初立意——直紋骨架的江南油紙傘，且平行桁架的凈高更高，選擇了平行桁架方案，使得結(jié)構(gòu)建筑表達更統(tǒng)一?！?/p>

雙向斜交桁架▲

平面桁架加斜系桿(實施方案)罩棚風(fēng)洞試驗荷載規(guī)范對于這種造型獨特的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載缺乏準確完備的體型系數(shù)規(guī)定。因此為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、經(jīng)濟、合理，有必要進行該體育場的屋面及墻面風(fēng)壓測定的風(fēng)洞試驗，即按相似原理的要求，在模擬大氣邊界層流場的風(fēng)洞中進行模型試驗，測定建筑物表面風(fēng)壓和體型系數(shù)等參數(shù)。試驗在浙江大學(xué)的ZD-1邊界層風(fēng)洞中進行。罩棚穩(wěn)定性分析對罩棚結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性計算分析：特征值屈曲分析結(jié)果顯示，整體失穩(wěn)模態(tài)臨界荷載系數(shù)為47。非線性屈曲分析結(jié)果顯示，失穩(wěn)荷載系數(shù)大于13。滿足規(guī)范要求。▲

特征值屈曲分析▲

非線性屈曲分析▲

失穩(wěn)曲線罩棚三向多點激勵分析由于罩棚結(jié)構(gòu)桁架拱跨度為120m，需要考慮地震動的空間變化效應(yīng)如行波效應(yīng)等。對罩棚結(jié)構(gòu)進行三向多點激勵分析，視波速取1200m/s，到達時間間隔取0.1s。比較三向多點激勵分析結(jié)果與一致激勵分析結(jié)果后，對反應(yīng)譜地震效應(yīng)做相應(yīng)放大?！?/p>

計算模型▲

支座處桿件彎矩對比罩棚高支墩分析與設(shè)計曲棍球場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)共通過8個支點落于4個混凝土高支墩基座上，每個混凝土基座承受2個鋼結(jié)構(gòu)屋面支點的荷載。根據(jù)建筑造型要求，混凝土基座為棱臺形，且頂面存在一定的傾斜，如下圖所示?；炷粱瑫r承受較大的豎向荷載、水平荷載、彎矩、扭矩，會產(chǎn)生一定的水平變形。因此屋蓋整體計算時，對支座按固定、鉸支和彈性三種形式分別計算，最后取包絡(luò)值。由于高支墩帶來的罩棚拱水平推力上移的不利因素，通過：在高支墩內(nèi)增設(shè)型鋼；拱腳內(nèi)增加加勁肋及內(nèi)灌混凝土等措施；并對支座進行有限元節(jié)點分析，保證節(jié)點安全可靠。由于基座底部存在較大的水平力和彎矩,天然地基基礎(chǔ)不能滿足設(shè)計要求,高支墩