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第 43 卷 第 9 期 2013 年 5 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 9 May 2013 锦州滨海体育中心体育场结构设计 刘志伟， 张晓新 哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨 150090 ［摘要］锦州滨海体育中心体育场采用混合结构体系， 质量和刚度分布不均， 应重点考虑结构存在的超长、 超限问 题， 以确保安全。看台适当设置防震缝 兼伸缩缝 是解决结构规则性和超长问题的有效方法; 对于结构超限， 应采 用抗震性能化设计方法对超限构件按设定的性能目标进行设计; 看台与钢罩篷、 落地拱与基础支座之间连接复杂， 采用包络设计的方法可以确保计算内容涵盖结构最不利的受力工况; 对于钢罩篷复杂节点， 应进行精确的研究分 析， 必要时宜使用铸钢节点和成品支座。 ［关键词］超限体育建筑;抗震性能化设计;嵌岩桩基;包络设计 中图分类号 TU318文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 09- 0029- 04 Structural design on stadium of Jinzhou Coastal Sports Center Liu Zhiwei，Zhang Xiaoxin Architectural Design and Research Institute of HIT，Harbin 150090，China Abstract With mixed structural system，the stadium of Jinzhou Coastal Sports Center has distribution of mass and stiffness unevenly． Out-of-codes problems should be focused on to ensure the safety of the structure． The set of seismic joint or expansion jointon the stand is an effective to solve the out-of-codes problems． Perance based seismic design is applied to unqualified members according to the established perance goals． The connection between the stand and steel canopy is complex，so is the connection between landing arches and foundation bearing． Envelope design is applied to cover the most unfavorable bearing conditions of the structure． Accurate computational analysis should be carried out for the complex node of the steel canopy，in which cast steel nodes and finished bearing could be used if necessary． Keywords out-of-codes sports building;perance based seismic design;rock-socketed pile foundation;envelope design 作者简介 刘 志伟， 一级注册结 构工程师， 英国 注册 结 构工程师， Email Liuzhiwei hitadri． cn。 1工程概况 锦州滨海体育中心体育场 图 1 位于锦州市经 济技术开发区， 南侧为天山路， 东侧为崔庄街， 西靠 渤海大道， 距锦州市区 20km。本工程为 4. 5 万座的 体育场， 由 A， B， C， D 四个建筑分区组成。体育场 长轴尺寸 196. 60m， 短轴尺寸 131. 90m， B， D 区顶部 设钢 结 构 罩 篷;A，C 区 看 台 为 二 层，看 台 高 14. 990m; B， D 区看台为四层， 看台高 34. 170m。B 区和 D 区罩篷大小相同、 相互独立， 分别位于体育 场的东西两侧。工程结构设计使用年限 50 年， 上部 结构安全等级为二级， 地基基础设计等级甲级。基 本风压 0. 70kN/m2 100 年一遇 ， 地面粗糙度类别 为 B 类， 罩篷外表面风压系数根据风洞试验的数据 确定。 工程场地抗震设防烈度为 6 度， 设计基本地震 加速度值为 0. 05g， 设计地震分组为第一组， 建筑场 地类别为Ⅰ类， 计算地震动参数小震时按照锦州 滨海新区体育中心工程场地地震安全性评价 取 值， 中震及大震按照规范取值。抗震设防类别为重 点设防类 乙类 ， 设计时按照提高一度的要求加强 抗震措施。 图 1建筑效果图 2结构选型 2. 1 结构体系 本工程的结构体系为由混凝土看台及上部钢结 构罩篷组成的混合结构。其中混凝土看台采用现浇 钢筋混凝土框架结构体系; 钢结构罩篷由钢罩篷桁 架以及穿过其中的格构式落地主拱组成。钢罩篷桁 架分为 26 榀短向主桁架和 3 榀纵向次桁架， 落地主 拱为断面呈菱形的格构式构件， 主桁架的上弦节点 建筑结构2013 年 图 2钢罩篷平面布置及剖面图 图 3连接主拱与桁架的梭形拉压杆示意图 图 4体育场结构示意图 D 区 与落地主拱的下弦节点之间通过梭形拉压杆连接， 连接节点设计为铰接; 钢结构罩篷每组短向主桁架 与最外侧纵向次桁架交接位置通过 4 根支座撑杆与 Y 形混凝土柱顶连接 图 2 。钢筋混凝土看台构件 均采用 C40 级混凝土， Y 形混凝土柱截面尺寸为 1. 2m 1. 6m; 钢罩篷采用 Q345B 级钢， 落地拱主要 杆件截面尺寸如图 2 所示。 钢结构罩篷长向两侧挑出位置各由一组梭形柱 支承于基础顶面。罩篷结构落地主拱的跨度 253m， 拱中面矢高 75m， 短向桁架最大跨度 52m。梭形拉 压杆件设计为中间粗、 两端细且截面 圆钢管 线性 变化的构件， 内置环形肋板， 构造见图 3。 结构超限情况 钢罩篷主拱跨度为 253m， 大于 120m; 钢罩篷长度为 306m， 大于 300m， 计算模型见 图 4。 2. 2 结构缝设置 2. 2. 1 结构缝设置情况 工程建设地点位于东北沿海严寒地区， 据气象 记录， 锦州地区夏季最高气温 39. 5℃ ， 冬季最低气 温 － 25. 6℃ 。看台直接处于露天环境， 冬夏温差变 化幅度大， 受气候变化影响结构构件产生的温度应 力较大， 在设计时必须予以考虑以避免温度应力产 生的不利影响。本工程混凝土看台设计采用设置伸 缩缝 兼防震缝 的方案， 共设置 12 道缝， 将结构分 为 12 个相互独立的部分， 每个区块长度约为 60 ～ 70m， 在解决结构超长问题的同时， 还可以改善看台 的抗震性能; 钢屋盖不设缝。 2. 2. 2 温度荷载对结构受力的影响分析 钢结构安装校准温度设置为 15 5 ℃ ， 设计 时考虑最大正温差 35℃ ， 最大负温差 － 45℃ 。 经计算分析， 温度作用对钢筋混凝土看台的影 响较小， 究其原因主要是设置伸缩缝后， 混凝土结构 超长较小， 温度应力在很大程度上得到释放。温度 作用对钢结构罩篷体系中的短向桁架、 纵向桁架、 梭 形拉压杆等影响较小， 其产生的内力工况不起控制 作用; 但对落地主拱内力影响很大， 温差工况产生的 拱脚水平推力占拱脚总水平推力的 50 。经对计 算结果的分析， 设计过程中为了提高落地主拱的刚 度， 对主拱基础侧移量进行了严格的限制， 因此， 在 施工阶段升温加大工况作用下， 拱脚难以变形释放 温度应力， 是导致拱脚水平推力受温度影响很大的 主要原因。 3超限对策 3. 1 抗震性能化设计 3. 1. 1 抗震性能目标的设定 本工程采用抗震性能化设计， 针对空间结构体 系的特点， 提出抗震性能目标并采取相应的构造措 施。具体为 钢结构罩篷主拱、 桁架弦杆、 支座相关 杆件的拉、 压、 弯、 剪承载力按“中震弹性设计、 大震 不屈服复核” ; 支座混凝土柱承载力按“中震弹性复 核， 并符合大震下剪切截面不屈服” 的要求; 拱脚和 支座节点承载力按“大震弹性” 设计; 其他构件按照 “小震弹性” 设计， 并符合规范的要求。 3. 1. 2 不同性能目标的设计方法 小震作用取规范地震动参数和安评报告提供的 动参数较大者， 中震及大震按照规范取值。 03 第 43 卷 第 9 期刘志伟， 等． 锦州滨海体育中心体育场结构设计 小震弹性荷载组合 γGSGE γ EhSEhk γ EvSEvk φ WγWSWk≤ R /γRE 中震弹性荷载组合 γGSGE γ EhS * Ehk γ EvS * Evk≤ Rd /γ RE 中、 大震不屈服组合 SGE S* Ehk 0． 4S* Evk≤ Rk 水平地震为主 SGE S* Evk 0． 4S* Ehk≤ Rk 竖向地震为主 式中符号定义同高层建筑混凝土结构设计规程 JGJ 32010 第 3. 11. 3 条。 3. 2 采用不同计算软件进行包络设计 本工程采用 SAP2000 V14. 1. 0 版进行计算分 析， 分别进行混凝土看台与钢屋盖总装计算、 混凝土 看台加钢罩篷荷载分装计算、 钢罩篷分装计算。总 装计算时结构阻尼比采用 0. 03， 分装单独计算时混 凝土结构阻尼比取 0. 05， 钢结构阻尼比取 0. 02。鉴 于工程的复杂性， 为了保证结构具有足够的安全度， 采用 3D3S 软件对钢屋盖进行同等条件下的分装复 核计算; 混凝土看台采用 PKPM 系列工程软件进行 建模， 于钢屋盖支座处施加荷载， 进行计算分析。 3. 3 提高重要构件的安全等级 提高钢结构主拱和支承钢罩篷的混凝土 Y 形 柱的安全等级为一级， 并根据预定的性能目标对 Y 形柱进行抗震性能化设计。 3. 4 弹性时程分析 弹性时程分析时选用 1999 年 9 月 20 日台湾集 集地震 ILA050 CHI-CHI-ILA050 记录、 1989 年 10 月 18 日洛马普列塔 SSF LOMA PRIETA SSF205 记 录的两条实际加速度时程曲线和一组人工加速度时 程曲线 由地震安评报告提供 。 计算分析表明， 选用的三组波形平均地震影响 系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系 数曲线在统计意义上相符， 基底剪力见表 1， 其位移 角均满足规范规定。 基底剪力表 1 方向地震波 小震 剪力 /kN 与反应谱法 比值 / 平均值 反应谱法 X 向 Y 向 CHI-CHI-ILA05011 793113 LOMA PRIETA SSF20510 40899. 797. 9 人工波8 41180. 6 振型分解反应谱法10 441100100 CHI-CHI-ILA0509 72970. 7 LOMA PRIETA SSF20519 860114101 人工波12 08687. 9 振型分解反应谱法10 441100100 3. 5 动力弹塑性时程分析 根据杆件的受力性能，定义两种塑性铰P 铰， 用于仅受轴力的杆单元; PMM 铰，用于同时承受轴 力和弯矩的梁单元。 地震波均采用三向输入方式， 将三个方向加速 度峰值之比调整为 1∶ 0. 85∶ 0. 65， 最大加速度峰值 调整为 130cm/s2。积分方法采用 SAP2000 程序默 认的 Newmark-β 法， 精度控制参数 γ， β 取值分别为 0. 5 和 0. 25， 分析同时考虑材料非线性和几何非线 性。三条地震波分别为 辽宁地震科技有限公司提 供的 50 年超越概率为 2 的人工波、 台湾集集地震 ILA050 记录波、 洛马普列塔 SSF 天然波。计算结果 表明， 钢罩篷仅有很少的腹杆出现塑性铰， 其他位置 未出现塑性铰， 符合既定抗震性能目标。 4风洞试验 4. 1 风压分布系数取值方法 钢结构屋盖表面形状复杂， 仅根据建筑结构 荷载规范 GB 500092012 无法确定准确的风压 分布， 且风荷载对钢罩篷影响较大， 为此， 委托哈尔 滨工业大学土木学院风洞实验室进行了风洞试验 图 5 ， 风洞试验报告整理出了最不利工况下的平 均风压分布系数， 作为设计中风压系数取值的依据。 图 5风洞试验模型照片 4. 2 风洞试验主要结论 罩篷风压主要表现出风吸力作用， 分布总体上 表现出与风的来流相垂直的特性， 且基本呈现平行 分布， 即在垂直于来流的截面上风压系数基本接近; 罩篷最大负压系数达到 － 1. 44， 出现于 0风向角; 罩篷结构设计计算时， 可考虑风压系数为 0. 2 的正 风压工况。 5基础设计 5. 1 地层结构和岩层特征 工程场地所处地貌单元为构造剥蚀丘陵， 地形 起伏较大， 地势南高北低、 西高东低。西侧植被发 育， 地表水系不发育， 该地段水文地质条件较差， 属 水量贫乏区， 地下水类型为基岩裂隙水， 勘察期间勘 探深度内地下水位埋深 0. 50 ～ 14. 70m。根据勘探 13 建筑结构2013 年 图 6抗拉球形钢支座构造示意图 图 7抗拉球形钢支座示意 图 8铸钢节点有限元模型 深度内所揭露地层的时代、 成因及其工程地质性质， 将其划分为 4 个工程地质层， 如表 2 所示。 土层分布表 2 土层名称厚度 /m 桩极限侧阻力 标准值 /kPa 桩极限端阻力 标准值 /kPa ①杂填土0. 50 ～ 6. 50 ②残积土0. 40 ～ 2. 70 ③1全风化煌斑岩2. 0060 ③2强风化煌斑岩8. 80 ～ 28. 0080 ④a中风化花岗岩1. 40 ～ 12. 5015012 000 ④1全风化片麻岩0. 70 ～ 9. 60805 000 ④2强风化片麻岩0. 80 ～ 24. 501605 000 ④3中风化片麻岩3. 00 ～ 12. 7020010 000 5. 2 基础选型 工程地质条件具有岩层分布广泛、 承载力较高 的特点， 强、 中风化岩石均为良好的基础持力层， 但 由于岩层埋深变化幅度较大， 且体育场局部为回填 场地， 本工程不适合采用浅基础方案; 根据当地邻近 场地的施工经验， 最终采用人工挖嵌岩桩。桩身直 径分别为 800， 900， 1 000， 1 200， 桩端设扩大 头。理论计算确定本工程单桩承载力特征值分别为 5 870， 7 430， 9 150， 13 200kN。桩端持力层为第④a 中风化花岗岩或第④2强风化片麻岩。控制桩端进 入持力层深度不小于 1 倍桩径。 5. 3 罩篷拱脚基础设计 罩篷结构落地主拱的跨度 253m， 拱矢高 75m， 罩篷短向桁架最大跨度 52m， 每个拱脚部分产生 8 731kN的总水平推力和 9 622kN 的总竖向压力。 由于拱脚水平推力较大， 且对水平变形要求较高， 其 基础应具有良好的水平承载力和抗变形能力， 以保 证拱脚的安全， 为此， 采取如下措施 施工拱脚桩基 前应进行水平静载试验， 并取水平位移为 10mm 时 的加载值为单桩水平静载试验的临界荷载， 以此确 定单桩水平承载力特征值; 考虑承台、 桩、 土共同作 用， 确保承台侧向土体的压实质量， 以提高承台的水 平抗阻力和摩擦力。 6拱脚支座及关键节点研究 6. 1 钢罩篷拱脚支座 钢罩篷的拱脚反力较大， 拱脚单根弦杆在混凝 土基础上的反力包络值约为 压力 － 4 960kN， 拉力 －1 690kN， 剪力 － 6 220kN。根据上述荷载条件， 选 用抗拉球形钢支座， 构造见图 6。 抗拉球形钢支座 图 7 主要特点为 万向承载、 受力均匀、 万向转动， 转动角度可达 0. 05rad; 极高的 抗拉能力; 具有较高的抗震能力; 静刚度大， 支座本 身产生的变形极小; 主要适用于大跨度和特大跨度 空间 结 构; 耐 久 性 好， 使 用 温 度 范 围 大 － 40 ～ 70℃ ; 体积小， 重量轻， 造价较低。选用的拱脚 支座的直径约为 700mm， 高度约 200mm， 每个支座 质量约为 1t。 6. 2 节点实体有限元分析 本工程在梭形拉压杆与主拱下弦杆节点连接 处， 由于节点多杆件相交构造复杂， 故设计采用了铸 钢节点 图 8 。铸钢材料为 G20Mn5N， 屈服强度为 235N/mm2， 抗剪强度为 135N/mm2。由于节点处的 构件大部分为短粗型， 并处于复杂的三向受力状态， 钢结构设计规范 GB 500172003 不能完全覆 盖， 因此本节点采用 ANSYS 进行实体有限元分析， 选用实体单元 Solid92 单元来模拟节点的各个部分 构件。 6. 3 节点应力分析结果 图 9节点 von Mises 应力 / N/mm2 下转第 82 页 有限元模型中所有构件的尺寸按实际节点尺寸 建立， 对节点施加最不利组合工况荷载设计值。选 取分析中最不利组合后主要杆件轴力为 主拱下弦 23 建筑结构2013 年 美规范比较结果 ［19］， 建议取正面角焊缝强度提高系 数 βf 1． 0，角焊缝焊接工艺优先选用氩弧焊。 4结论 1 通过不锈钢结构角焊缝连接试验研究， 测 得了正、 侧面角焊缝连接的极限荷载和极限变形， 得 到不锈钢角焊缝破坏特征与普钢相符。 2 角焊缝连接设计时， 应根据不同的焊接工 艺确定其强度设计值。从强度角度出发应优先选用 钨极氩弧焊。 3 根据试验分析结果， 提出了不锈钢结构角 焊缝连接的强度设计验算式， 建议取正面角焊缝强 度提高系数为 1. 0。 参考文献 ［1］ GB/T 208782007 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分 ［S］． 北京 中国建筑工业出版社， 2007． ［2］ GRAHAM GEDGE．Structural uses of stainless steel- buildingsandcivilengineering［J］．Journalof Constructional Steel Research，2008，64 11 1194- 1198． ［3］ BADDOO N R． Stainless steel in constructiona review of research，applications，challenges and opportunities ［J］． Journal of Constructional Steel Research，2008，64 11 1199- 1206． ［4］ 朱浩川，姚谏． 不锈钢材料的应力-应变模型［J］． 空 间结构， 2011，17 1 62- 69． ［5］ 郑宝锋，舒赣平，沈晓明． 不锈钢材料常温力学性能 试验研究［J］． 钢结构， 2011，26 5 1- 6． ［6］ 王元清，高博，戴国欣， 等． 不锈钢受弯构件承载性能 的研究进展 ［J］． 建筑结构学报， 2010， 31 S1 189- 194． ［7］ 王元清，高博，戴国欣， 等． 焊接工字型截面不锈钢受 弯构件的整体稳定性分析［J］． 沈阳建筑大学学报 自 然科学版， 2010，26 6 1021- 1026． ［8］ 王元清，高博，戴国欣， 等． 双轴对称不锈钢受弯构件 残余变形的影响因素分析［J］． 山东大学学报 工学 版，2011，41 1 95- 100． ［9］ 关建，王元清，张勇． 不锈钢连接节点及其工程应用 研究［C］/ /钢结构工程研究 中国钢协结构稳定与 疲劳分会第 12 届 ASSF- 2010 学术交流会暨教学研 讨会论文集． 2010 125- 140． ［ 10］ ERRERA SAMUEL J，POPOWICH D W．Bolted and welded stainless steel connections ［J］．Journal of the Structural Division，1974，100 6 1279- 1296． ［ 11］ Design manual for structural stainless steel［S］．Euro Inox and The Steel Construction Institute，1994． ［ 12］ TALJA A，VLIPAS M，HUHTALA L． Design of welded connections of cold worked stainless steel RHS members ［C］/ /Stainless steel in structures-International Experts Seminar． 2003． ［ 13］ 张立玲，高峰，张庆． 拼焊板焊缝力学性能实验研究 ［J］． 机械设计与制造，2006 8 113- 115． ［ 14］ 考肖琴． 奥氏体不锈钢热轧板材的焊接性试验研究 ［J］． 新技术新工艺，2011 6 93- 94． ［ 15］ 郁东键． 奥氏体不锈钢水冷焊工艺应用 ［J］． 焊接技 术，2005，3421- 22． ［ 16］ GB/T 9831995 不锈钢焊条［S］． 北京 中国建筑工 业出版社，1995． ［ 17］ YB/T 50922005 焊接用不锈钢丝［S］． 北京 中国建 筑工业出版社， 2005． ［ 18］ 邹若梦． 不锈钢连接承载力性能试验研究［D］． 南京 南京工业大学，2012． ［ 19］ 邹若梦，董军，章金旭． 美欧不锈钢结构连接设计规 范比较 ［J］． 工业建筑， 2012，42 5 63- 66． 上接第 32 页 杆 N1 － 7 853kN， 主拱下弦杆 N 2 － 6 474kN; 耳 板节点 1 N3 772kN， 耳板节点 2 N4 949kN。从 节点计算应力分布云图 图 9 可以看出， 在最不利 荷载工况 1. 2 恒 1. 4 活 0. 84 温度 作用下， 节 点中的最大 von Mises 应力为 153N/mm2， 节点局部 有应力集中现象， 但应力集中部位整体应力水平较 低， 均小于屈服强度， 由此可以判断， 节点在最不利 荷载组合工况作用下可以保证安全。 7结语 体育场工程结构体系的选择很重要， 建议结构 工程师应积极参与建筑方案创作阶段的配合工作， 以实现建筑造型与结构体系的完美结合。 体育场多为混合结构， 结构受力复杂， 应采用分 析功能强大的有限元软件进行计算分析， 并采用不 同软件进行对比计算， 采用总装计算、 分装计算等手 段进行包络设计， 以确保计算内容能够涵盖结构的 真实受力状态; 对重要的结构受力构件进行抗震性 能化设计， 以提高结构的安全性; 对钢结构复杂节点 应进行有限元应力分析， 必要的情况下可采用铸钢 节点; 对于体育场看台超长问题， 宜合理设置伸缩缝 兼防震缝 予以解决。 参考文献 ［1］ 傅学怡， 高颖， 杨想兵． 济南奥体中心体育场大跨度空 间结构总装分析［J］． 建筑结构学报，2009， 30 S1 176- 182． ［2］ 郭彦林， 邓科， 林冰． 梭形柱的稳定性能及设计方法研 究［J］． 工业建筑， 2007， 37 7 92- 119． ［3］ CECS 160 2004 建筑工程抗震性态设计通则 试用 ［S］． 北京 中国工程建设标准化协会， 2004． 28