杭州奥体中心体育游泳馆结构设计要点*

2023-10-16杨育臣朱忠义杨晓宇

建筑结构 2023年18期

杨育臣, 张琳, 朱忠义, 奚琦, 王毅, 杨晓宇, 许洋, 黄飒

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

第19届亚运会将于2023年9月在杭州开幕。杭州奥体中心体育游泳馆(简称“体育游泳馆”)作为杭州亚运会主场馆,亚运会期间承担篮球、游泳、跳水和花样游泳的比赛任务。场馆如同一只展翅欲飞的蝴蝶,呼应杭州文化主题“化蝶”,向八方宾客诉说唯美浪漫的传说。图1为体育游泳馆的实景图。

图1 体育游泳馆实景图(ⓒ胡越工作室)

体育游泳馆位于七甲河东北岸的萧山区境内[1],西、南面临七甲河,东南临地铁奥体站,东北至青年路,西北临滨江大道。沿东西向尺寸为609m、南北向尺寸为200m,总建筑面积约39.7万m2。体育游泳馆地下连为一体,地下两层,局部场馆区地下一层,主要功能为商业设施、机房及地下车库。如图2所示,体育游泳馆地上分为三部分,包含18 000座的体育馆、6 000座的游泳馆及商业设施。其中体育馆地上五层,总高度45m;游泳馆地上两层,总高度35m;商业设施地上一层,层高8.0m,即8m平台。体育游泳馆屋盖为一整体,跨越体育馆、游泳馆以及中间大厅三部分,如图3所示。

图2 杭州奥体中心体育游泳馆平面分布

图3 杭州奥体中心体育游泳馆剖面

结构设计基准期为50年,耐久性按100年(属于重要建筑,提高耐久性)[2]。结构安全等级:体育馆、游泳馆为一级,其他商业等附属用房为二级。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g[3],场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,抗震设防类别:体育馆、游泳馆为重点设防类,其他商业等附属用房为标准设防类[4]。100年重现期风压为0.50kN/m2,100年重现期雪压为0.50kN/m2。对于混凝土结构温度作用取±15℃,对于屋顶钢结构,考虑合龙温度为10～25℃,温度作用取±30℃[5]。

2 结构体系

体育游泳馆主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系[6]。地下结构连为一体,设温度控制缝。地上主体设置防震缝,分为三个独立的单元,即单元左(游泳馆部分)、单元中(中央大厅部分)、单元右(体育馆部分)。地下温度控制缝位置同防震缝,如图2所示。

体育游泳馆屋盖覆盖了体育馆、游泳馆以及中央大厅,为一个完整的网壳结构,自然延伸支承到8m平台混凝土结构上。钢屋盖结构长向弧长约为480m,游泳馆长向跨度为164m、短向跨度为129.6m,体育馆长向跨度为164m、短向跨度为141.4m,两馆东西两侧各悬挑13m。如图4所示。

图4 屋盖平面示意图

游泳馆和体育馆区域的屋盖采用斜交斜放的变厚度双层网壳结构,游泳馆最高点结构厚度6.0m、体育馆最高点结构厚度6.5m,两馆结构厚度随结构相对标高按照0.9次方变化(根据建筑美观和受力需求),如式(1)所示。中央大厅网格为满足建筑造型采用单层网壳,如图5、6所示。

图5 屋盖结构三维示意

图6 典型结构剖面图

(1)

式中:H、H0分别为网壳厚度、网壳最高点厚度;Z、Zmax、Zmin分别对应建筑标高、建筑面最高点标高、建筑面最低点标高。

为满足建筑要求,双层网壳的钢结构弦杆均采用矩形截面[7]。双层网壳部分落地段(落地点以上约6.5m高度范围)采用了矩形弯扭构件。单层网壳统一全采用了矩形弯扭构件[8]。

3 设计要点

3.1 超长混凝土结构

本工程东西向尺寸为609m、南北向尺寸为200m,规模巨大,属于超长混凝土结构,温度变化对结构的影响较大,需重点关注并采取适宜的措施。

采用MIDAS对结构进行施工过程数值模拟分析,获得结构在温度、收缩、徐变综合影响下结构变形、内力及应力。模拟分析计算原则如下:1)以经验假设的施工工期与步序进行施工过程的数值模拟,此工序也可用于指导施工;2)计算的时间周期为施工阶段约6个月以及主体合拢后半年;3)各层结构浇筑后两个月,施工后浇带合龙,主体完成后两个月,沉降后浇带合龙。

限于篇幅,仅列出施工完成后结构长向温度应力,如图7所示。不难看出,整个施工阶段,楼板应力在-1.5～1.5MPa之间,地下二层、地下一层在主体完成后的半年时间内,因为降温与剩余收缩的作用,楼板单元拉应力历史峰值水平相对较高,局部角点最大值约5.18MPa,单元平均应力≤2.0MPa。

图7 结构长向楼板温度应力Sxx云图/MPa

根据分析结果,采取了释放与加强相结合的措施,重点在“放”,加强次之。具体如下:

(1)在地下室单元左、中、右之间设置温度控制缝,位置同图2的防震缝,为增强结构平行于温度控制缝方向水平力的有效传递,控制缝按“之”字形进行布置,具体构造大样如图8所示。

图8 温度控制缝构造大样

(2)在地下一层、首层结构长向框架梁、二层(8m平台)框架梁及双向次梁中增设无粘结的预应力筋,以减少温度应力对结构的影响。

(3)楼板双层双向配筋,加强重点部位楼板配筋,拉应力全部由钢筋承担,并控制钢筋应力水平≤200MPa,控制混凝土裂缝宽度≤0.2mm。

3.2 体型系数取值

杭州属于台风高发地区[9],风荷载对结构特别是大跨屋盖的影响较大。本工程屋盖为自由曲面,体型系数取值无相关的规范规定,故体型系数按照两种方式取值,包络设计。第一种参照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012),取与本工程外形类似的体型系数,即经验取值,如图9所示;第二种按照风洞试验取值,广东省建筑科学研究院通过侧压试验得到24个风向角下的体型系数,如图10所示。

图9 体型系数经验值

图10 0°风向角风洞试验体型系数分布

3.3 屋盖参数化设计

体育游泳馆屋盖为自由曲面,自由曲面通过参数化的形式以数学形式表达。参数化的引入极大提高了结构计算的效率,在既有的建筑条件下可快速进行方案对比,确定经济合理的屋盖钢结构布置和结构厚度。参数化建模同时保证了屋盖钢结构和屋面围护结构严格统一,实现了建筑结构一体化设计。本项目参数化建模流程如图11所示。

图11 参数化建模流程

定义脊线和剖面椭圆的原则如图12、13所示,脊线和剖面椭圆确定了整体建筑造型及钢结构布置。

图12 屋面脊线示意图

图13 剖面椭圆示意图

剖面椭圆控制公式如式(2)和式(3)所示。

椭圆长轴a:

(2)

式中:L为分点间连线长;h(n)为椭圆短轴的长度。

椭圆上任意点P的坐标:

(3)

参数化形成的屋盖钢结构如图14所示,根据钢结构设计结果,对网格尺寸、结构厚度等进行微调,以实现更合理的结构性能和经济指标。

图14 参数化建模形成的屋盖钢结构几何模型

3.4 屋盖支承边界

屋顶网壳的支座分为三种类型,第一类支座为落在8m平台上的三向固定铰支座;第二类支座位于游泳馆和体育馆东西两侧的四排柱顶,支座沿切向固定、法向滑动;第三类支座位于大厅区域,由两个斗形柱支承屋顶单层网壳结构,斗形柱下端三向固定铰支承于8m标高处的主体混凝土结构上。支座布置如图15所示。

图15 屋盖钢结构支座分类

第一类支座:该类支座处有四个跨度较大的建筑入口,在入口处形成了拱形结构,入口1立面示意如图16所示,四个拱的矢跨比见表1,可见拱的矢跨比均较小,这导致竖向荷载传到拱结构上时,会引起拱脚对下部混凝土较大的水平推力[10]。拱脚水平推力如表2所示,钢结构自重工况下的水平推力约占相对应点反力的50%左右。

表1 入口处拱矢跨比

表2 拱脚水平推力

图16 入口1立面示意

为解决水平推力较大且集中的情况,考虑钢结构的施工过程,即在钢结构施工时水平推力较大的个别点水平方向不进行约束,待钢结构施工完成时,再将这些点水平向约束。考虑施工过程的目的是释放支座在钢结构自重下的水平推力,只让其承受屋面恒载、活载以及后续荷载引起的水平推力。

以入口2为例,仅拱脚2考虑施工过程不进行约束,在自重+恒载+活载下的拱脚支座水平推力如表3所示,与未考虑施工过程相比,拱脚2处的水平推力显著降低,拱旁支座的水平推力略有增加,水平力的分布更加均匀。

表3 自重+恒荷载+活荷载下入口2水平推力/kN

第二类支座:钢结构第二类支座支承于混凝土弧梁上,弧梁与单排混凝土柱形成平面框架,该框架面内刚度较大,面外的刚度则较小,因此第二类支座释放了弧线法向的约束,以减小混凝土柱面外的剪力与弯矩。此时混凝土柱弯矩如图17(a)所示。从图中可以看出,即使释放了法向约束,框架平面外的弯矩仍然很大。

图17 自重+恒载+活载下第二类支座下部混凝土柱弯矩图/(kN·m)

基于该排混凝土柱的弯矩与剪力较大的情况,在施工阶段将第二类支座的切线方向约束释放,待钢结构施工完成后,再将切线方向进行约束。考虑施工过程的目的是释放混凝土柱由钢结构自重引起的剪力与弯矩,只让其承受屋面恒载、活载以及后续荷载引起的剪力与弯矩。

考虑该施工过程后的第二类支座下部混凝土柱在自重+恒载+活载下弯矩如图17(b)所示,与未考虑施工过程相比峰值有明显减小,减小了约60%左右。

3.5 考虑缺陷的几何非线性稳定分析

网壳全过程分析时应该考虑初始曲面形状的安装偏差的影响;可采用结构的最低屈曲模态作为初始缺陷分布模态,最大值可按网壳跨度的1/300取值。初始缺陷按如下考虑:1)中间大厅的单层网壳,在第27阶发生整体屈曲,以此屈曲模态作为初始缺陷分布,计算单层网壳在缺陷时的极限承载力;2)将体育游泳馆的双层网壳的振型作为初始缺陷分布,计算网壳在缺陷时的极限承载力。

考虑初始缺陷的网壳的极限承载力下位移如图18所示。在考虑第一类初始缺陷的情况下,网壳的稳定系数K=5.24,在考虑第二类初始缺陷的情况下,分别考虑结构的前4阶振型作为初始缺陷,网壳的稳定系数K=5.24、5.87、5.24、5.87,均满足规范要求。

图18 考虑初始缺陷的网壳在极限承载力下的位移云图/mm

3.6 异形跳台

游泳馆采用异形清水混凝土跳台,如图19所示,造型简洁、美观。包含10、7.5、5、3m等不同高度的跳台。跳台典型截面如图20所示。

图19 异形跳台实景图

图20 7.5m跳台结构典型截面

《国际泳联设施细则》(2017—2021)FR5.2节对跳台结构的频率和变形提出了要求,跳台需满足:1)整个结构的基频≥3.5Hz;2)在跳台前沿X、Y、Z三个方向上分别施加100公斤的拉力,前沿的变形不超过1mm。

以7.5m跳台为例介绍其振动和变形情况,采用实体单元建立结构的三维模型,如图21所示。根据《国际泳联设施细则》(2017—2021),活载按3.5kN/m计算,7.5m跳台的振动模态和端部变形如图22、23所示。结构第1振动模态为水平晃动,第2振动模态为竖向振动,整个结构的基频3.95Hz≥3.5Hz。在100公斤三向拉力作用下,跳台端部最大变形为0.29mm<1mm。频率和变形均满足《国际泳联设施细则》(2017—2021)的要求。