杭州奧體中心體育游泳館結構設計要點*

楊育臣, 張 琳, 朱忠義, 奚 琦, 王 毅, 楊曉宇, 許 洋, 黃 颯

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

第19屆亞運會將于2023年9月在杭州開幕。杭州奧體中心體育游泳館(簡稱“體育游泳館”)作為杭州亞運會主場館,亞運會期間承擔籃球、游泳、跳水和花樣游泳的比賽任務。場館如同一只展翅欲飛的蝴蝶,呼應杭州文化主題“化蝶”,向八方賓客訴說唯美浪漫的傳說。圖1為體育游泳館的實景圖。

圖1 體育游泳館實景圖(?胡越工作室)

體育游泳館位于七甲河東北岸的蕭山區(qū)境內[1],西、南面臨七甲河,東南臨地鐵奧體站,東北至青年路,西北臨濱江大道。沿東西向尺寸為609m、南北向尺寸為200m,總建筑面積約39.7萬m2。體育游泳館地下連為一體,地下兩層,局部場館區(qū)地下一層,主要功能為商業(yè)設施、機房及地下車庫。如圖2所示,體育游泳館地上分為三部分,包含18 000座的體育館、6 000座的游泳館及商業(yè)設施。其中體育館地上五層,總高度45m;游泳館地上兩層,總高度35m;商業(yè)設施地上一層,層高8.0m,即8m平臺。體育游泳館屋蓋為一整體,跨越體育館、游泳館以及中間大廳三部分,如圖3所示。

圖2 杭州奧體中心體育游泳館平面分布

圖3 杭州奧體中心體育游泳館剖面

結構設計基準期為50年,耐久性按100年(屬于重要建筑,提高耐久性)[2]。結構安全等級:體育館、游泳館為一級,其他商業(yè)等附屬用房為二級?？拐鹪O防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g[3],場地類別為Ⅲ類,設計地震分組為第一組,抗震設防類別:體育館、游泳館為重點設防類,其他商業(yè)等附屬用房為標準設防類[4]。100年重現期風壓為0.50kN/m2,100年重現期雪壓為0.50kN/m2。對于混凝土結構溫度作用取±15℃,對于屋頂鋼結構,考慮合龍溫度為10～25℃,溫度作用取±30℃[5]。

2 結構體系

體育游泳館主體結構采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系[6]。地下結構連為一體,設溫度控制縫。地上主體設置防震縫,分為三個獨立的單元,即單元左(游泳館部分)、單元中(中央大廳部分)、單元右(體育館部分)。地下溫度控制縫位置同防震縫,如圖2所示。

體育游泳館屋蓋覆蓋了體育館、游泳館以及中央大廳,為一個完整的網殼結構,自然延伸支承到8m平臺混凝土結構上。鋼屋蓋結構長向弧長約為480m,游泳館長向跨度為164m、短向跨度為129.6m,體育館長向跨度為164m、短向跨度為141.4m,兩館東西兩側各懸挑13m。如圖4所示。

圖4 屋蓋平面示意圖

游泳館和體育館區(qū)域的屋蓋采用斜交斜放的變厚度雙層網殼結構,游泳館最高點結構厚度6.0m、體育館最高點結構厚度6.5m,兩館結構厚度隨結構相對標高按照0.9次方變化(根據建筑美觀和受力需求),如式(1)所示。中央大廳網格為滿足建筑造型采用單層網殼,如圖5、6所示。

圖5 屋蓋結構三維示意

圖6 典型結構剖面圖

(1)

式中:H、H0分別為網殼厚度、網殼最高點厚度;Z、Zmax、Zmin分別對應建筑標高、建筑面最高點標高、建筑面最低點標高。

為滿足建筑要求,雙層網殼的鋼結構弦桿均采用矩形截面[7]。雙層網殼部分落地段(落地點以上約6.5m高度范圍)采用了矩形彎扭構件。單層網殼統(tǒng)一全采用了矩形彎扭構件[8]。

3 設計要點

3.1 超長混凝土結構

本工程東西向尺寸為609m、南北向尺寸為200m,規(guī)模巨大,屬于超長混凝土結構,溫度變化對結構的影響較大,需重點關注并采取適宜的措施。

采用MIDAS對結構進行施工過程數值模擬分析,獲得結構在溫度、收縮、徐變綜合影響下結構變形、內力及應力。模擬分析計算原則如下:1)以經驗假設的施工工期與步序進行施工過程的數值模擬,此工序也可用于指導施工;2)計算的時間周期為施工階段約6個月以及主體合攏后半年;3)各層結構澆筑后兩個月,施工后澆帶合龍,主體完成后兩個月,沉降后澆帶合龍。

限于篇幅,僅列出施工完成后結構長向溫度應力,如圖7所示。不難看出,整個施工階段,樓板應力在-1.5～1.5MPa之間,地下二層、地下一層在主體完成后的半年時間內,因為降溫與剩余收縮的作用,樓板單元拉應力歷史峰值水平相對較高,局部角點最大值約5.18MPa,單元平均應力≤2.0MPa。

圖7 結構長向樓板溫度應力Sxx云圖/MPa

根據分析結果,采取了釋放與加強相結合的措施,重點在“放”,加強次之。具體如下:

(1)在地下室單元左、中、右之間設置溫度控制縫,位置同圖2的防震縫,為增強結構平行于溫度控制縫方向水平力的有效傳遞,控制縫按“之”字形進行布置,具體構造大樣如圖8所示。

圖8 溫度控制縫構造大樣

(2)在地下一層、首層結構長向框架梁、二層(8m平臺)框架梁及雙向次梁中增設無粘結的預應力筋,以減少溫度應力對結構的影響。

(3)樓板雙層雙向配筋,加強重點部位樓板配筋,拉應力全部由鋼筋承擔,并控制鋼筋應力水平≤200MPa,控制混凝土裂縫寬度≤0.2mm。

3.2 體型系數取值

杭州屬于臺風高發(fā)地區(qū)[9],風荷載對結構特別是大跨屋蓋的影響較大。本工程屋蓋為自由曲面,體型系數取值無相關的規(guī)范規(guī)定,故體型系數按照兩種方式取值,包絡設計。第一種參照《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012),取與本工程外形類似的體型系數,即經驗取值,如圖9所示;第二種按照風洞試驗取值,廣東省建筑科學研究院通過側壓試驗得到24個風向角下的體型系數,如圖10所示。

圖9 體型系數經驗值

圖10 0°風向角風洞試驗體型系數分布

3.3 屋蓋參數化設計

體育游泳館屋蓋為自由曲面,自由曲面通過參數化的形式以數學形式表達。參數化的引入極大提高了結構計算的效率,在既有的建筑條件下可快速進行方案對比,確定經濟合理的屋蓋鋼結構布置和結構厚度。參數化建模同時保證了屋蓋鋼結構和屋面圍護結構嚴格統(tǒng)一,實現了建筑結構一體化設計。本項目參數化建模流程如圖11所示。

圖11 參數化建模流程

定義脊線和剖面橢圓的原則如圖12、13所示,脊線和剖面橢圓確定了整體建筑造型及鋼結構布置。

圖12 屋面脊線示意圖

圖13 剖面橢圓示意圖

剖面橢圓控制公式如式(2)和式(3)所示。

橢圓長軸a:

(2)

式中:L為分點間連線長;h(n)為橢圓短軸的長度。

橢圓上任意點P的坐標:

(3)

參數化形成的屋蓋鋼結構如圖14所示,根據鋼結構設計結果,對網格尺寸、結構厚度等進行微調,以實現更合理的結構性能和經濟指標。

圖14 參數化建模形成的屋蓋鋼結構幾何模型

3.4 屋蓋支承邊界

屋頂網殼的支座分為三種類型,第一類支座為落在8m平臺上的三向固定鉸支座;第二類支座位于游泳館和體育館東西兩側的四排柱頂,支座沿切向固定、法向滑動;第三類支座位于大廳區(qū)域,由兩個斗形柱支承屋頂單層網殼結構,斗形柱下端三向固定鉸支承于8m標高處的主體混凝土結構上。支座布置如圖15所示。

圖15 屋蓋鋼結構支座分類

第一類支座:該類支座處有四個跨度較大的建筑入口,在入口處形成了拱形結構,入口1立面示意如圖16所示,四個拱的矢跨比見表1,可見拱的矢跨比均較小,這導致豎向荷載傳到拱結構上時,會引起拱腳對下部混凝土較大的水平推力[10]。拱腳水平推力如表2所示,鋼結構自重工況下的水平推力約占相對應點反力的50%左右。

表1 入口處拱矢跨比

表2 拱腳水平推力

圖16 入口1立面示意

為解決水平推力較大且集中的情況,考慮鋼結構的施工過程,即在鋼結構施工時水平推力較大的個別點水平方向不進行約束,待鋼結構施工完成時,再將這些點水平向約束?？紤]施工過程的目的是釋放支座在鋼結構自重下的水平推力,只讓其承受屋面恒載、活載以及后續(xù)荷載引起的水平推力。

以入口2為例,僅拱腳2考慮施工過程不進行約束,在自重+恒載+活載下的拱腳支座水平推力如表3所示,與未考慮施工過程相比,拱腳2處的水平推力顯著降低,拱旁支座的水平推力略有增加,水平力的分布更加均勻。

表3 自重+恒荷載+活荷載下入口2水平推力/kN

第二類支座:鋼結構第二類支座支承于混凝土弧梁上,弧梁與單排混凝土柱形成平面框架,該框架面內剛度較大,面外的剛度則較小,因此第二類支座釋放了弧線法向的約束,以減小混凝土柱面外的剪力與彎矩。此時混凝土柱彎矩如圖17(a)所示。從圖中可以看出,即使釋放了法向約束,框架平面外的彎矩仍然很大。

圖17 自重+恒載+活載下第二類支座下部混凝土柱彎矩圖/(kN·m)

基于該排混凝土柱的彎矩與剪力較大的情況,在施工階段將第二類支座的切線方向約束釋放,待鋼結構施工完成后,再將切線方向進行約束?？紤]施工過程的目的是釋放混凝土柱由鋼結構自重引起的剪力與彎矩,只讓其承受屋面恒載、活載以及后續(xù)荷載引起的剪力與彎矩。

考慮該施工過程后的第二類支座下部混凝土柱在自重+恒載+活載下彎矩如圖17(b)所示,與未考慮施工過程相比峰值有明顯減小,減小了約60%左右。

3.5 考慮缺陷的幾何非線性穩(wěn)定分析

網殼全過程分析時應該考慮初始曲面形狀的安裝偏差的影響;可采用結構的最低屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布模態(tài),最大值可按網殼跨度的1/300取值。初始缺陷按如下考慮:1)中間大廳的單層網殼,在第27階發(fā)生整體屈曲,以此屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布,計算單層網殼在缺陷時的極限承載力;2)將體育游泳館的雙層網殼的振型作為初始缺陷分布,計算網殼在缺陷時的極限承載力。

考慮初始缺陷的網殼的極限承載力下位移如圖18所示。在考慮第一類初始缺陷的情況下,網殼的穩(wěn)定系數K=5.24,在考慮第二類初始缺陷的情況下,分別考慮結構的前4階振型作為初始缺陷,網殼的穩(wěn)定系數K=5.24、5.87、5.24、5.87,均滿足規(guī)范要求。

圖18 考慮初始缺陷的網殼在極限承載力下的位移云圖/mm

3.6 異形跳臺

游泳館采用異形清水混凝土跳臺,如圖19所示,造型簡潔、美觀。包含10、7.5、5、3m等不同高度的跳臺。跳臺典型截面如圖20所示。

圖19 異形跳臺實景圖

圖20 7.5m跳臺結構典型截面

《國際泳聯設施細則》(2017—2021)FR5.2節(jié)對跳臺結構的頻率和變形提出了要求,跳臺需滿足:1)整個結構的基頻≥3.5Hz;2)在跳臺前沿X、Y、Z三個方向上分別施加100公斤的拉力,前沿的變形不超過1mm。

以7.5m跳臺為例介紹其振動和變形情況,采用實體單元建立結構的三維模型,如圖21所示。根據《國際泳聯設施細則》(2017—2021),活載按3.5kN/m計算,7.5m跳臺的振動模態(tài)和端部變形如圖22、23所示。結構第1振動模態(tài)為水平晃動,第2振動模態(tài)為豎向振動,整個結構的基頻3.95Hz≥3.5Hz。在100公斤三向拉力作用下,跳臺端部最大變形為0.29mm<1mm。頻率和變形均滿足《國際泳聯設施細則》(2017—2021)的要求。

圖21 跳臺端部計算模型

圖22 75m跳臺振動模態(tài)

圖23 75m跳臺端部變形/mm

4 結論

杭州奧體中心體育游泳館主體結構為超長混凝土結構,屋蓋采用了自由曲面大跨網殼,通過對其研究得出以下結論:

(1)體育游泳館采取了釋放與加強相結合的措施,重點在“放”,加強次之,以減小溫度作用對結構的影響。

(2)體育游泳館屋蓋采用了參數化建模,給出了數學公式,實現了建筑結構一體化設計。

(3)屋蓋與主體的支座連接,在推力較大的位置考慮施工過程,逐次約束,有效釋放了支座在鋼結構自重下的水平推力。

(4)異形跳臺在滿足承載力的情況下,應著重控制其振動和變形。

(5)對于大跨度復雜網殼結構,應考慮初始缺陷的影響,進行穩(wěn)定性分析,確保結構的極限承載力滿足規(guī)范要求。

致謝:齊五輝大師、徐斌總工對工程進行了指導與審定,結構設計團隊還包括沈莉、張燕平、馬洪步、鮑蕾、周穎、梁宸宇、李國強、呂素琴、王皖兵、周忠發(fā)、何濤濤、劉琦、張博、王鐵英、戴夫聰、袁林華、李華峰等同志,在此一并表示感謝。