徐州市奧體中心體育場環(huán)向懸臂索承網格結構體系

國內外首創(chuàng)——徐州市奧體中心體育場環(huán)向懸臂索承網格結構體系徐州市奧體中心體育場采用新型雜交空間結構——環(huán)向懸臂索承網格結構體系，其結構構造形式與弦支穹頂相似，由上部的單層網殼和下部索桿體系組合而成，目前國內外沒有相同的結構體系可借鑒。徐州奧體中心由中國建筑西南設計研究院設計，以“山水相依、五省通衢”為理念，采取山環(huán)水抱、山水相依的規(guī)劃格局，以象征交通樞紐、極具速度感的中央景觀統(tǒng)率全局；建筑以“玉”和“帛”為構思源泉，將古玉和絲綢的氣質融入建筑造型中，體現昔日兵家必爭之地、今朝“化干戈為玉帛”的和平主題；立面裝飾徐州市樹——銀杏樹葉的抽象圖案。1工程概況徐州市奧體中心位于徐州市新城區(qū)漢源大道和峨眉山路交叉口，該項目包括體育場、綜合訓練館、球類館、游泳跳水館、配套服務設施及地下車庫6個單體建筑，總占地面積為472800㎡，總建筑面積為205513㎡，建成后將作為江蘇省第十八屆省運會的主會場。其中體育場面積為51240㎡，是奧體中心最大的單體建筑，可以容納3.5萬人觀看比賽，其建筑效果圖見圖1。圖1徐州市奧體中心體育場2結構體系徐州市奧體中心體育場鋼結構形式為環(huán)向懸臂索承網格結構，其結構構造形式與弦支穹頂相似，將其作為弦支穹頂的衍生體，適用于超大型的體育場及其他公共建筑。徐州市奧體中心體育場平面外形類似橢圓形，結構水平投影尺寸約為263m×243m，中間是類似橢圓形的開口，開口尺寸約為200m×129m。體育場屋蓋最大懸挑長度約為40m，最小懸挑長度為16m，高度為43.277m，整個結構沿東西和南北方向對稱分布。徐州市奧體中心體育場鋼結構整體模型見圖2。圖2徐州市奧體中心體育場鋼結構整體模型2.1立面和屋蓋上弦結構徐州市奧體中心體育場立面圍護結構為單層網殼結構，由交叉支撐柱、雙向網格和三向網格三部分組成。標高0.000~9.900m間的結構是由圓形截面為φ（1000～600）×35或φ（1000～600）×18的交叉支撐柱構成的支撐體系，交叉柱的交叉點由連接板與2層看臺混凝土梁相連接；標高9.900~25.500m間的結構是由圓形截面為φ600×30，φ600×18鋼管組成的雙向網格單層網殼結構；標高25.500m到馬鞍形大環(huán)梁之間的結構是由箱形截面□600×300×16，□500×250×16鋼管與圓形截面φ351×16，φ351×14鋼管組成的三向網格單層網殼結構。屋蓋為馬鞍形雙曲面，開口處最高點標高為43.277m，最低點標高為35.465m。上弦結構由84榀徑向梁和5圈環(huán)向梁組成，徑向梁箱形截面為□600×300×16，□500×250×16，環(huán)向梁箱形截面為□600×350×20，□500×350×20。主體結構鋼材材質均為Q345B。2.2屋蓋下弦結構屋蓋下弦結構由撐桿和拉索組成。撐桿最大圓形截面為φ325×16，最長長度約為11m。屋蓋拉索采用了42根徑索和1圈環(huán)索，徑索規(guī)格為φ90，φ100和φ127，最小長度約為17m，最大長度約為28m，其中20φ90徑索位于東西方向，6φ100徑索位于南北方向，16φ127徑索位于四個拐角方向；1圈環(huán)索由6φ121拉索組成，每根長度約為587m，由4段組成，分段點分別在體育場的東南、東北、西南和西北角。體育場鋼結構屋蓋下弦結構平面布置圖見圖3。圖3屋蓋下弦結構平面布置圖環(huán)索分布也呈馬鞍形，最高點位于懸挑長度最小的南北方向，最低點位于懸挑長度最大的東西方向，標高相差約為1.8m。另外東西兩側各有4根斜索，規(guī)格為φ70。拉索采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絞線，強度為1670N/mm2。體育場鋼結構剖面圖見圖4。圖4體育場鋼結構剖面圖3索承網格結構特點弦支穹頂結構體系屋蓋一般為封閉的單層剛性網殼，通過固定或滑動支座連接在下部的支撐結構體系上，而索承網格結構體系與弦支穹頂結構體系最大的區(qū)別在于該結構體系屋蓋結構徑向鋼梁與周圍支撐結構為銷軸連接（圖5），而屋蓋為開口形式，則徑向鋼梁變?yōu)閼冶蹣嫾D5徑向鋼梁與大環(huán)梁連接節(jié)點三維圖不考慮結構非線性影響，屋蓋結構在自重工況下最大豎向位移為-2388mm（圖6）。采用索承網格結構體系，屋蓋懸挑梁根部的彎矩得到了釋放，鋼拉索構件成為主要的受力構件，懸挑梁的截面就可以減小，結構變得輕巧，大大地減少了屋蓋結構的用鋼量。以徐州市奧體中心體育場為例，整個體育場鋼結構用鋼量約為9300t，而屋蓋結構的鋼用量僅為2759t，與類似懸挑長度體育場屋蓋的用鋼量相比，節(jié)省了鋼材將近2000t。圖6無索情況下結構自重工況的豎向變形/mm4關鍵節(jié)點4.1索夾節(jié)點的深化設計原則索夾節(jié)點的深化設計原則：除了要考慮節(jié)點的變形和應力外，還要考慮節(jié)點的抗滑移能力。鋼拉索構件在張拉施工過程中為保證預應力的有效傳遞，要求索體在索夾中能滑動；而在預應力張拉施工完成后，為保證結構體系的穩(wěn)定性，必須使用高強螺栓鎖住索夾，保證索體在索夾中不產生滑動。4.2鑄鋼索夾節(jié)點的深化設計環(huán)索索夾除了要連接1根徑向索和6根環(huán)向索以外，還要連接1根豎向撐桿和2根斜撐桿，構造也比較復雜，環(huán)索索夾三維圖和實景圖見圖7。圖7環(huán)索索夾索夾采用鑄鋼節(jié)點，材質為G20Mn5N，熱處理后強度不小于Q345B材料的力學性能。徑索最大直徑為127mm。4.3鑄鋼索夾節(jié)點的抗滑移性能徐州市奧體中心體育場的環(huán)索分布成馬鞍形狀，最高點與最低點標高相差約為1.8m，因此鑄鋼索夾節(jié)點的不平衡力較大。需通過試驗確定鋼蓋板實際抗滑移能力，即其對索體形成的約束程度。徑索、環(huán)索索夾試驗照片見圖8。（a）徑索索夾試驗（b）環(huán)索索夾試驗圖8徑索、環(huán)索索夾試驗照片5預應力施加仿真分析采用MIDAS/Gen軟件預應力施加仿真分析，計算模型見圖9。整個屋蓋結構的安裝順序：先在42榀下弦有拉索的徑向梁端部和東西看臺徑向梁的中部搭設支撐胎架，然后安裝屋蓋鋼結構和鋼拉索，待整