深圳大運(yùn)中心體育場鋼屋蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

1、劉瓊祥總經(jīng)理、總工程師 深圳大運(yùn)中心體育場鋼屋蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化分析1工程簡介深圳大運(yùn)動(dòng)中心體育場位于深圳龍崗區(qū)，是2011年世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)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274m289m,可容納6萬名觀眾。鋼屋蓋采用單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式。由20個(gè)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，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈雙軸對(duì)稱。整個(gè)鋼屋蓋與混凝土看臺(tái)完全脫開，由20個(gè)鑄鋼球鉸支座支承。屋蓋中間開洞尺寸180m130m，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(diǎn)34.89m，后端最高點(diǎn)45.90m，屋蓋形狀為馬鞍形，內(nèi)環(huán)高差8.57m，外環(huán)高差1

2、2m。建筑東立面圖建筑剖面圖2結(jié)構(gòu)構(gòu)成體育場屋蓋由20個(gè)形狀相近的結(jié)構(gòu)單元組成，雙軸對(duì)稱。(鋼屋蓋單元編號(hào)示意圖)單元主桿件分組編號(hào)及節(jié)點(diǎn)命名示意每個(gè)單元由13個(gè)三角形面、19根桿件、8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。造型的凸點(diǎn)、凹點(diǎn)等構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)形狀的控制點(diǎn)。內(nèi)環(huán)點(diǎn)、冠峰點(diǎn)為焊接節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)均為鑄鋼節(jié)點(diǎn)。主次桿件的布置三角形面面交線是結(jié)構(gòu)主桿件，斷面形式為圓管，直徑由7001200mm不等次桿件位于主桿件四分點(diǎn)的連線處，斷面形式為焊接組合箱形斷面，高度450600m。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(gè)線位移，放松三個(gè)角位移.傳

3、力路徑示意圖該結(jié)構(gòu)由彎折的三角形折面形成面外剛度；空間效應(yīng)形成環(huán)向力構(gòu)成不可見的空間支撐點(diǎn)；次桿件網(wǎng)格提高了折面剛度，與相鄰折面的次桿件對(duì)主桿件形成側(cè)向約束；連通的馬道、肩谷環(huán)梁等將20個(gè)單元緊密聯(lián)系在一起；豎向和水平荷載通過主桿件的拉、壓、彎等作用傳遞到支座，如圖所示。3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題突出單層結(jié)構(gòu)且懸挑跨度大，體育場內(nèi)部無可見結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件；空間作用顯著，整體性要求高。G6、 G16 聯(lián)合作用提供不可見的空間支點(diǎn)，才能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這就要求結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的整體性，肩谷環(huán)梁、馬道環(huán)梁、內(nèi)環(huán)梁設(shè)置及與節(jié)點(diǎn)的剛接等對(duì)增強(qiáng)單元之間的聯(lián)系作用較大； 3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（2）傳力路徑彎折應(yīng)力集中現(xiàn)象突出

4、，特別是10根桿件交匯的肩谷節(jié)點(diǎn)， G13（圖6）組桿件的上部彎矩明顯大于其它桿件。（3）工程技術(shù)綜合，難度大。80多噸的超大鑄鋼節(jié)點(diǎn)超過規(guī)程的技術(shù)要求承擔(dān)巨大荷載的碗蓋球的鋼球鉸支座鋼板熱成型厚壁圓管等三項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)建筑工程很少應(yīng)用。4 結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性三種計(jì)算方法得到的周期、振型較為接近；前5階振型均表現(xiàn)屋面豎向振動(dòng)，體現(xiàn)了立面剛度較好，屋面剛度相對(duì)薄弱。4 結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果結(jié)構(gòu)位移風(fēng)荷載、多遇地震作用下的水平位移角均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1/500，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求；在各種最不利荷載組合工況下，豎向位移1/224，滿足1/200的要求。構(gòu)件應(yīng)力比有地震組合的應(yīng)力明顯低于無地震組合，風(fēng)

5、荷載起控制作用。整體應(yīng)力比控制在0.85以下，以拉應(yīng)力為主的桿件應(yīng)力比不超過0.70。5位移控制本工程采取預(yù)先起拱的方法，以減小結(jié)構(gòu)變形。適應(yīng)幕墻結(jié)構(gòu)變形是撓度控制的標(biāo)準(zhǔn)。主體結(jié)構(gòu)卸荷后安裝幕墻結(jié)構(gòu)，其零應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生在主體卸荷完成時(shí)主體結(jié)構(gòu)變形與幕墻應(yīng)力相關(guān)的是3、5，只要控制這二項(xiàng)數(shù)據(jù)，滿足在各種工況下的變形即可，體育場鋼屋蓋懸挑撓度確定為扣除結(jié)構(gòu)自重的變形控制值為懸挑跨度的1/200。3為卸荷后設(shè)備、幕墻、降溫、下壓風(fēng)等不利組合產(chǎn)生變形5為卸荷后升溫、上吸風(fēng)等不利組合產(chǎn)生變形6結(jié)構(gòu)找形分析6.1支座位置調(diào)整為了提高抗傾覆的結(jié)構(gòu)能力，將支座外移與肩峰點(diǎn)垂直，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系平面布置合理趨向圓

6、形；增大抗整體傾覆力臂，如圖12所示，同時(shí)增強(qiáng)了20個(gè)單元之間的相互空間作用。6.2內(nèi)、外環(huán)高差調(diào)整隨著內(nèi)環(huán)高差由13.60m 降到8.57m，外環(huán)高差由17.5m降到12.0m，支座的環(huán)向推力減小13.2%；在G13桿件的上部應(yīng)力集中區(qū)域，合成彎矩減小了6.7%，有效改善了應(yīng)力集中的狀況。6.3冠峰、冠谷高差調(diào)整為了提高屋蓋前端剛度，增強(qiáng)抗風(fēng)能力，將冠峰、冠谷之間高差從8.5m調(diào)整到10.7m，隨著冠峰、冠谷之間高差增加，屋蓋前區(qū)的撓度減小22.7%，屋面前區(qū)與后區(qū)的撓跨比（撓度 與跨度l的比值）由1.39降到1.10減小20.9%，顯著改善了屋面變形不均勻狀況。7肩谷環(huán)梁對(duì)結(jié)構(gòu)影響7.1動(dòng)

7、力性能原方案平面變形較大，y方向明顯變長，橢圓形的洞口變得很狹長，現(xiàn)方案平面變形較?。晃菝嬗伤膫€(gè)波變?yōu)槎€(gè)波不同結(jié)構(gòu)方案周期對(duì)比現(xiàn)方案屋蓋單元之間的聯(lián)系增強(qiáng)，平面外剛度明顯提高，相應(yīng)的第1周期縮短約30%，前3個(gè)周期減小明顯不同結(jié)構(gòu)方案風(fēng)振系數(shù)對(duì)比結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng)減小約7%8%，30、45風(fēng)向角分別減小12.4%和16.0%。7.2靜力性能現(xiàn)方案水平位移減小45%左右，肩峰點(diǎn)最大位移角達(dá)到1/8001/1000。 單元應(yīng)力集中最顯著G13桿件的內(nèi)力合力彎矩呈明顯降低的趨勢； 7.3支座反力增設(shè)肩谷環(huán)梁后，結(jié)構(gòu)支座的水平推力減小1.9%6.8%，豎向支撐力增加2.8%3.5%，肩谷環(huán)梁起到一定的環(huán)箍作用。8 結(jié)論(1)根據(jù)變形控制要素和幕墻結(jié)構(gòu)施工安裝順序，體育場鋼屋蓋撓度控制標(biāo)準(zhǔn)確定為扣除結(jié)構(gòu)自重的變形值為懸挑跨度的1/200，經(jīng)濟(jì)合理。(2)對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)找形是非常重要的。通過結(jié)構(gòu)找形和增設(shè)肩谷環(huán)梁前后對(duì)比分析表明：優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)周期減小，水平剛度增強(qiáng)，支座環(huán)向推力減小