深圳大运中心主体育场钢屋盖结构设计.docx
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深圳大运中心主体育场钢屋盖结构设计
58
施工技术
CONSTRUCTIONTECHNOLOGY2010年8月第39卷第8期
深圳大运中心主体育场钢屋盖结构设计
刘琼祥,张建军,郭满良,刘臣,彭省华
（深圳市建筑设计研究总院,广东深圳
518031
[摘要]深圳大运中心体育场钢屋盖,充分发挥钢管的受拉受压特性,将单层三角形网格,通过空间折面的方法,使之整体成为马鞍形单层折面空间网格结构,这种新的结构体系,开辟了结构设计新空间。
重点介绍了钢屋盖节点命名、传力路径、节点构造以及球形支座形式。
通过支座位置外移、减小内外环高低差、管径及钢材选用、抗连续倒塌设计等措施,
确定结构性能控制指标安全、合理。
[关键词]深圳大运中心;主体育场;钢屋盖;结构设计[中图分类号]TU245
[文献标识码]A
[文章编号]1002-
8498（201008-0058-03StructuralDesignforSteelRoofofShenzhenUniversiadeSportsCenterMainStadium
LiuQiongxiang,ZhangJianjun,GuoManliang,LiuChen,PengShenghua
（ShenzhenGeneralInstituteofArchitecturalDesignandResearchCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong
518031,China
Abstract:
Thesteelroof,designedforShenzhenUniversiadeSportsCenterMainStadiumiscomposedofsingletriangulargridbyfoldingmethod,andismadethebestoftensileandcompressivebearingcapacityofsteeltubular.Thissaddlestructure,calledsingle-layerfolded-surfacespatialgridstructure,isanewstructuraldesign.Thejointnaming,pathofforcetransfer,jointstructureandsphericalsupporttypeofsteelroofareintroducedindetail.Throughoutertransferofsupportposition,reducingheightdifferenceofinnerandoutercircles,choosingpipedimensionandsteelmaterialandcontinuouscollapseresistance,thecontrolindexesforstructuralperformanceareverifiedtobesafeandreasonable.
Keywords:
ShenzhenUniversiadeSportsCenter;mainstadium;steelroof;structuraldesign
[收稿日期]2010-06-10[作者简介]刘琼祥,深圳市建筑设计研究总院院长,总工程师,
深圳市福田区振华路8号设计大厦22楼518031,电话:
**************,E-mail:
liu.qx@szonline.net
1
工程概况
深圳大运中心位于深圳龙岗区,占地1.2km2
包括主体育场、主体
育馆、游泳馆以及体育设施,如图1所示。
图1
深圳大运中心
Fig.1ShenzhenUnversiadeSportsCenter
主体育场屋盖采用单层折面空间网格结构,由形状各异的三角形网格以多种倾斜姿态交替弯折,互相联系在一起,如图2所示。
场内固定座位可容纳6万多人,
平面尺寸为285mˑ270m,由20个形状相似的结构单元通过空间相互作用联系在一起,屋盖悬挑长度
在不同区域分别为51.968.4m。
屋盖结构形状为马鞍形,外圈高差为12m,内圈高差为8.6m。
冠峰、冠谷高差10.7m,
肩谷、肩峰高差15.5m。
主结构杆件为圆管,大部分直径为7001200mm,局部1400mm。
次杆件为焊接箱形断面,高度450600mm。
主结构节点采用铸钢节点和焊接节点,次杆件与主杆件采用刚性连接。
整个钢屋盖与混凝土看台完全脱开,由20个球铰支座支承,球铰支座支承坐落在标高6m的钢筋混凝土平台上。
屋面板材料选用自重较轻的聚碳酸酯板,
内部张拉膜采用PTFE涂层玻璃纤维膜。
2
结构体系及特点
单层折面空间网格结构体系充分发挥了钢管的受拉受压特性,
形状轻巧,空间作用显著,但传力复杂,整
图2主体育场钢屋盖Fig.2
Steelroofofmainstadium
体稳定、局部稳定问题突出。
2.1
节点命名
单层折面空间网格结构的凸点、凹点等构成整个结构形状的控制点。
两控制点之间连接杆为受力杆。
为介绍方便对形状控制点命名,如图3所示
。
图3节点命名Fig.3
Jointnaming
2.2传力路径
建筑外部水平和竖向荷载通过空间折面相交的肋
杆即主杆传递到底部支座上。
主杆件呈以拉压为主的拉弯或压弯状态。
肩谷点之间的肩谷环梁、肩峰点与肩谷点的弯折环梁以及封闭的马道环梁对整个结构提供侧向空间支点（见图4
。
图4
传力路径Fig.4
Transferpathofforce
2.3三角形网格
在三角形主杆件的四分点处布置次结构杆件,相
互交错形成网格,
次杆件与主杆件刚接增强了对主杆件的侧向约束,提高了主杆件的空间侧向稳定性,如图5所示
。
图5主、次杆件网格Fig.5
Netformedwithmainandsecondary
members
2.4
节点
该体系的特点是建筑形状控制点十分突出,该部位是杆件的节点交汇处,
最多处有10根杆件交汇,给焊接带来很大困难,
焊缝重叠、应力集中,焊接质量难以保证。
因此部分节点采用铸钢节点,
对于形式比较简单的节点采用焊接节点。
2.5
球形支座
体育场共有20个球形支座,将支座设计为球铰支承,释放弯矩作用,避免混凝土构件受弯;同时,为抵抗支座的水平推力,将支座顶面做成一斜面（见图6
。
图6环形支座Fig.6
Sphericalsupport
其中最大的支座竖向反力18930kN,
最大水平推力15630kN。
球形支座坐落在标高6m的钢筋混凝土平台上,
与强大的竖向构件共同提供环向和径向约束,抵抗水平推力,承担竖向荷载。
3
钢屋盖的设计与研究钢屋盖顶呈现的水晶石,是由不同尺寸的单层三角形
网格按一定倾斜角“折”
后组成的。
结构单元之间受建筑影响侧向无任何约束,给设计工作提出了挑战。
通过计算分析、研究,对结构形式进行调整（简称找形。
同时在不影响建筑效果的地方,
加强侧向连接,对结构的经济性、合理性、抗风性能、抗震性能等都有改善。
3.1结构找形3.1.1
支座位置外移
支座点的外移使得整个结构体系在平面上尽量接近圆形;调整了竖直支柱倾角,增大抗整体倾覆力臂,提高抗整体倾覆的能力,同时,增强了20个单元之间的相互空间作用。
3.1.2
减小内、外环高低差分析
利用多个程序对马鞍形屋面进行多方面分析,证明马鞍形屋面受力合理。
但是内、外环高差过大,荷载增大引起拱推力过大,
在杆截面大致相当的情况下,部分杆件先破坏;高低差过小,空间作用不明显,单元悬挑小的构件未发挥作用,单元悬挑大的构件首先破坏,
也是不合理的。
合理的高低差是十分重要的。
计算表明:
内环高低差由13.6m降到8.57m,外环高低差由17.5m降到12m,在一定荷载情况下,挠度控制和内力均匀方面都有改善。
3.1.3侧向刚度设计问题
20个结构单元之间除了内环梁外,侧向几乎无任何约束,整个结构好似一个活动手风琴,在侧向力作用下结构就会发生较大变形。
通过反复计算分析,经多次研讨后,提出:
①利用马道环作为侧向第1支撑,刚接在单层网格下节点上;②20个支座下的钢筋混凝土平台环形刚度适当加大,减小钢筋混凝土变形对上部钢屋盖的影响;③增设1道肩谷环,肩谷环加上之后,同时增加了结构抗连续倒塌的性能要求,改善了结构动力性能,增强了抗风、抗震能力。
3.1.4冠峰点适当外移
冠峰点适当外移使细长压杆长度从53m减小到48m,受力趋向合理,增大肩谷-冠谷杆与肩峰-冠谷杆间夹角,使其作用更有效,利于施工,并增加空间作用。
3.1.5适当加大冠峰、冠谷之间高差
冠峰、冠谷之间高差从8.5m调整到10.7m,且内环梁直径从600mm提高到800mm,提高了整体承载力及屋盖前端的面外刚度和整体性。
对前端抗风起到重要作用。
形状调整前后参数如表1所示。
表1形状调整前后参数
Table1Parametersbeforeandaftershapeadjustment
状态屋盖平面/
m
单元
悬挑长度/
m
马鞍形内、
外环高差/
m
肩谷肩峰高差/m
调整前290ˑ27120457313.6/17.515.0调整后285ˑ2702051.968.48.6/12.015.5
状态冠谷冠峰
高差/m
马道是否
连通
有无肩
谷环
各杆间
最小角度/
（ʎ
压杆长度/m
调整前8.5否无2853调整后10.7是有3048
3.2管径、径厚比、钢材选用
深圳大运中心主体育场屋盖主杆件,按建筑要求选用圆形。
一旦悬挑长度、体育场规模、屋面面积确定后,管径也随之确定下来。
考虑到视角观感要求,建筑需要各主杆管径在1.21.4m最理想,按最大不超过1.4m管径选择合适径厚比,选择合适钢材,以及钢材物理力学性能,做到优化设计。
通过设计比较,钢材主要采用Q345GJB,径厚比在1020采用热卷,大于20采用冷卷。
3.3抗连续倒塌设计
建筑物在使用过程中,特定的偶然作用发生时或发生后,当剩余结构承载力远小于外部作用力时,会发生大范围破坏或连续倒塌。
该结构分析表明:
一个支座或任何一根主要受力杆失效情况下,结构不至于连续倒塌。
通过上述设计的调整表明:
这种全新的结构体系与过去常用悬挑构件、空间结构的设计不尽相同。
不是简单地增加悬挑构件的截面积就能解决问题。
此工程中,大多数情况下是解决不了的,加大截面容易造成死循环;也不是加大跨高比就能提高结构的整体刚度,结构体系侧向约束、次杆的支撑、各三角形折面间夹角变化,是影响整体刚度更直接的原因。
侧向约束构件包括肩谷环等,能显著减少结构自振周期,从而减少风振效应,是防止连续倒塌分析的关键构件。
4位移、周期控制
由于单层折面空间网格结构在过去工程实践中未遇到,现有国内外规范、规程也找不到相关规定。
但是,对于台风肆虐的深圳,新型结构体系设计指标控制十分重要。
位移的控制主要表现在使用要求,与围护结构材料变形、人的观感等有关,但也是结构的刚度、承载能力的另一种表现形式。
周期是结构固有的动力特性,与结构的刚度和质量分布有关。
地震、风荷载的结构响应与周期有密切关系。
因此通过整体稳定分析、局部稳定分析、风时程分析、大震弹塑性动力时程分析、节点分析,整体、节点模型试验、多次组织国内外知名专家研讨,确定了合理的结构控制性能指标。
本工程周期控制在1.2s以内,挠度变形1/150左右,是合理、安全的。
深圳大运中心主体育场杆件受到原设计方案控制,超乎平常选用了大直径圆形钢管及铸钢节点。
采用国内外各种结构软件进行分析,并引用国内外20多种规范。
5结语
1本工程采用单层折面空间网格结构,超大跨度,中间开洞大,使得这一创新的结构体系设计相当复杂。
2找形工作十分重要,对结构的经济性、合理性、抗风、抗震性能等都有很大影响,找形不好,会出现在自重情况下死循环。
3增强结构侧向刚度是结构设计重点,侧向刚度合理存在可提高结构安全度。
4在深圳台风特大地区,控制合理的自振周期及挠度是必要的。
5通过理论与工程经验的概念性综合分析以及试验验证,确定新型结构性能控制指标是安全、合理的。
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