星空体育·STAR SPORTS大连市体育场上层看台结构设计pdf42 1 Vol ． 42 No ． 1 第 卷第 期 建 筑 结 构 20 12 1 Building Structure Jan ． 20 12 年 月 大连市体育场上层看台结构设计 ， 程亚鹏 王洪国 ( ， 150090 ) 哈尔滨工业大学建筑设计研究院 哈尔滨 ［ ］ ， ， 摘要 大连市体育场看台结构为混凝土框架结构 上层看台径向两端为关键节点 一端是罩篷钢桁架上部支座 ， 。 。 的支承结构 一端是大悬臂结构 着重阐述了这两个节点的结构方案分析及设计 上层看台混凝土结构环向超 ， 、 、 长 为了控制温度应力和混凝土收缩所产生的裂缝采取了设置粘结预应力筋 施工后浇带 通长板钢筋等一系列措 。 MIDAS Gen ， 240 ， 。 施 并应用 程序进行总装整体模型计算 考虑了 余种荷载组合 选取了最不利荷载进行结构设计 ［ ］ ; ; ; ; 关键词 体育场 支承结构 拉弯构件 有粘结预应力 超长结构 中图分类号:TU3 18. 82 ，TU375. 4 文献标识码:A 文章编号:1002 -848X (20 12)0 1-008 1-04 Structural design of Dalian Stadium upper grandstand Cheng Yapeng ，Wang Hongguo (Institute of Architectural Design and Research ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150090 ，China) Abstract :The upper grandstand of Dalian Stadium is reinforced concrete structure ，and the radial ends of this grandstand are key nodes ，one is the support structure for top pedestal of the ceiling structure ，and the other is long span cantilever ． The structural analysis and design of these two nodes were summarized ． The upper grandstand is super-long structure in radial direction ． A series of measures ，such as setting bond prestressed reinforcement ，pouring techninque after construction and reinforced through whole plates ，were adopted to reduce cracks caused by temperature stress and concrete shrinkage ． MIDAS Gen finite element software was used to perform whole structure analyses ，240 load combinations were checked and the most adverse load was select to be the design load ． Keywords :stadium ;supporting structure ;member with pull and press ;bonded prestress ;super-long structure 1 工程概况 2 大连市体育场建筑面积为 12. 8 万 m ，总坐席 60 360 ， 2 176 ， 数 席 其中包括包厢坐席 席 贵宾坐席 600 ， 120 。 6 ， 1 席 残疾人坐席 席 地上共 层 层 为赛 、 、 ; 2 事运营 运动员热身 赛事保障以及商业运营 层 ， 2 ; 3 ; 4 为观众入口 层 夹层为贵宾室 层 为包厢 层 ， ; 为上层看台观众入口 中部为技术设备运营区域 层 5 ， 1 为上层看台观众入口 入口两侧主要布置观众卫 图 体育场鸟瞰图 ; 6 ， 。 生间 层 为上层看台 采用预制看台板 。 拟确定风荷载 体育场结构体系为钢筋混凝土框架 ， 体育场外观新颖 看台罩篷造型为飘逸的曲线 ， 结构及大跨度空间钢屋盖 抗震设防为重点设防 ， ， 1 。 形态 形体流畅完整 如图 所示 体育场长轴方向 ［3］ ( ) ; ， 乙类 框架计算抗震等级为二级 抗震构造措 304 m ， 270 m ， 、 短轴方向 结合结构抗震要求 建筑功 施为一级。 ， 4 能分区及防火分区 体育场下部混凝土结构设 条 2 结构建模及参数选取 ， 4 ， 变形缝 将整体混凝土结构分成 个结构单元 如图 ， 工程上部为大跨空间结构 下部为钢筋混凝土 2 。 所示 屋盖以下主体结构采用钢筋混凝土框架结 ， 、 ， 结构 上 下部结构是一个密不可分的整体 上部结 ， ， 构 屋盖采用钢桁架结构 钢桁架最大悬挑跨度为 ， 构对下部结构既有效应又有刚度贡献 下部结构对 37 m ， ETFE 。 罩篷表皮采用 膜材 ， 上部结构既有支承又有效应放大 因此本工程对下 ， 工程结构的安全等级为一级 设计使用年限为 ［1］ 部混凝土结构和上部钢桁架结构分别进行了单独计 100 ， 1. 1 。 年 重要性系数为 场地抗震设防烈度为 算、 。 总装整体计算的建模和分析 综合了多个分析 7 ， 0. 1g ， 度 设计基本地震加速度值为 设计地震分组 ， PMSAP ，ETABS ，MIDAS 软件 下部混凝土结构采用 为第一组， ， 场地类别为Ⅱ类 建筑场地的特征周期为 ， SAP2000 ， ［2］ 2 建模计算分析 上部钢桁架结构采用 0. 35 s ; 0. 75 kN / m (100 )， 基本风压为 年一遇 地 B ; CFD : ， ， ，Email :chengyp_dd@ 163. com 。 面粗糙度类别为 类 利用风洞试验和 数值模 作者简介 程亚鹏 硕士 高级工程师 82 建 筑 结 构 20 12 年 3 技术难点 3. 1 桁架上部支座支承结构 看台屋盖钢桁架最大悬挑长度为 37 m ，桁架两 2 ， 3 。 个支点分别设置在层 及其上层看台处 见图 ， 桁架的下部支座位于轴⑥ 的柱顶 荷载可通过节点 ， ; 直接传至柱和基础上 受力相对明确 桁架上部支座 3. 6 ～ 5. 1m ， 位于距轴⑤ 柱 的框架斜梁悬挑端 每榀 。 桁架上部支座处悬挑长度均不相同 由于钢桁架的 、 ， 竖向荷载 风荷载及温度荷载都很大 桁架的上部支 。 ， 3 座处受力复杂 为处理好此处结构 提出 个受力 ( 4 )。 明确的桁架上部支座支承结构方案 图 2 图 结构变形缝位置平面图 3 D3 S ，ANSYS ， 计算分析 然后将上部钢桁架结构的 SAP2000 MIDAS ， 模型读到 中 与下部混凝土结构的 ， 模型合并进行结构总装整体分析 可以准确地揭示 、 、 、 ， 结构在重力 地震 风 温度等各种荷载作用下 尤其 是上部钢结构与下部混凝土结构界面构件的受力和 。 变形特性 根据方案评审会专家意见及地震安全评 ［4］ ， 1 ， 价报告 场地设计地震动参数见表 相应规范谱 2 ， T ，T 的主要地震动参数见表 表中 为拐点周期 0 g 3 ， 图 典型剖面图 为场地特征周期 β m 为设计地震动加速度放大系数 ，0. 05 ， ，A 谱 为阻尼比 γ 为下降指数 m ax 为地面加速 ， 。 度峰值 α m ax 为地震影响系数最大值 安评报告所 ， 提供的地震动参数大于抗震规范所规定的参数 在 设计中采用安评报告中给出的地震动参数。 安评报告主要地震动参数 表1 超越概率 T0 / s Tg / s β m (0. 05 ) γ A m ax / gal α m ax 50 年63 % 0. 1 0. 30 2. 5 0. 95 46. 7 0. 117 50 年 10 % 0. 1 0. 42 2. 5 0. 95 130. 2 0. 326 50 2 % 0. 1 0. 50 2. 5 0. 95 250. 5 0. 626 4 3 年 图 桁架上部支座支承结构 种方案示意图 (1) 1 : ， 规范谱主要地震动参数 表2 方案 轴⑤ 处框架柱升至上层看台 用杆 19. 6 m ， / % / A / gal α 件连接桁架支座和轴⑤ 处 标高楼层 形成三 地震 方向 超越概率 重现周期 年 m ax m ax 多遇地震 水平 63 50 35 0. 08 ， 角架结构 钢桁架竖向荷载可以通过斜杆传至框架 设防烈度 水平 10 475 100 0. 23 ， 19. 6 m 。 柱处 水平荷载通过斜杆传至 标高楼面处 罕遇地震 水平 2 2 475 220 0. 50 ， 楼板平面内刚度可以认为无限大 能够承担水平荷 : ， ， 。 ， 总装模型 多遇地震和设防烈度地震 采用 载 受力清晰合理 但由于构件和尺寸相对较大 支 ， ， MIDAS ， ， 座悬挑尺寸各不相同 最小处构件间间隙很小 影响 软件 不同材料定义不同的阻尼比 即钢结 ， 。 0. 02 星空体育·STAR SPORTS， 0. 05 ， 建筑美观 建筑专业不赞同 构采用 混凝土采用 基于应变能原理对 (2 ) 2 : 19. 6 m 整体结构进行分析; ， 方案 自轴⑤ 处 标高楼层用两个 罕遇地震 考虑部分杆件进入塑 ， Y ， 性，整体结构阻尼比取 0. 035 。时程分析法计算地 斜杆连接上层看台下斜框架梁 形成 形柱 钢桁 震作用时， ， 架竖向荷载通过两斜杆传至下层柱处，水平荷载亦 地震动采用三向输入 三向加速度峰值取 19. 6 m ， X ∶ Y∶ Z = 0. 85 ∶ 0. 65 ∶ 1. 0 (0. 65 ∶ 0. 85 ∶ 1. 0 )。 传到 标高楼层处 只是内侧斜支杆影响建筑 42 1 ， ． 第 卷第 期 程亚鹏 等 大连市体育场上层看台结构设计 83 ， 。 宽度 建筑专业也不赞同 (3 ) 3 2 : Y 方案 是方案 的改进 将 形柱上部两 斜杆交点提高到不影响建筑使用的高度处。 ， 根据结构受力情况 同时考虑到建筑功能及美 ， 3 。 观要求 最后选择了方案 ， 看台采用总装模型进行多遇地震作用分析 支 ， SATWE 承结构采取设防烈度地震作用分析 采用 ， MIDAS ， 程序进行整体计算 并用 软件进行校核 结 果见表3 。 看台模型采用两种程序主要计算结果 表3 计算软件 SATWE MIDAS 总质量/ t 260 795 245 124 T / T / T / s 1. 152 / 1. 063 / 1. 005 1. 2 1 / 1. 02 / 0. 94 1 t 3 X 向 1. 79 1. 78 底剪重比/ % Y 向 1. 8 1 1. 80 有效质量系数 X 向 99. 3 99. 8 / % Y 向 99. 5 99. 5 1 ， 根据观众看台部位建筑的空间特点 看台结构 ， 属竖向不规则 设计中将看台下竖向构件水平地震 1. 2 。 剪力乘以 的增大系数进行构件配筋 应用 MIDAS Gen ， 240 程序总装整体模型计算 进行了 余 ， ， 种荷载组合 对应于上部悬挑支座 选用最不利荷载 ， 5 ， 组合 其轴力和弯矩设计值见图 由图可以看出各 ， ， 个杆件的受力特点 径向斜梁轴向受拉 为拉弯构 ，Y ， 。 件 形柱三个杆件均轴向受压 为压弯构件 5 图 上部悬挑支座轴力和弯矩图 3. 2 下端大悬臂结构 6 图 上部看台相关层结构平面布置图 ， 在上层看台的下端 由轴④ 处向内悬臂约 ， 7. 5 m 。 ， 由此 径向斜框架梁和斜次梁的悬臂端与相应 因为此处是包厢层 限制了悬挑梁的截面高 ， ， 7. 5 m 。 位置下层水平悬臂梁形成三角架结构 从而减小了 度 采用普通混凝土梁很难实现悬臂 在 ， 3. 1m ， 19. 6 m ， 悬臂长度 实际悬臂长度就只剩约 采用普通 标高层 有台口的柱网内沿径向布置两根次 ， 3 。 ， ， 6 混凝土梁就很容易实现 径向框架剖面图见图 梁 两侧相邻柱网内沿径向布置一根次梁 见图 ， ， (a)。结合预制看台板布置上层看台下径向斜次 在竖向荷载作用下 三角架的斜杆受拉 水平杆件受 ， 、 ， ， ， 压 构件受力更加合理 明确 其荷载最不利组合内 梁 在对应台口柱网内有三块预制看台板 布置两根 ， ; ， 力图见图7 。 次梁 作为预制看台板的支座 在相邻柱网内 有两 块预制看台板， ， 3. 3 超长结构 布置一根次梁 作为预制看台板的支 ， 17. 7 ～ 27. 0 m ，4 ， ， 上层看台结构 径向宽度为 条 座 这样就使得两层径向梁水平投影位置相同 见图 6 (b)。 伸缩缝间切向直线. 2 mm ，A = 高强低松弛钢绞线 N / 张拉控制应力 σ con ptk 2 mm 。 - 钢结构屋盖 混凝土结构看台整体计算模型采 MIDAS Gen ， - 用 软件建立 考虑钢结构屋盖 混凝土 结构看台共同工作计算得到的支座反力作为屋盖结 构对看台结构的荷载作用。 ， ， 根据内力计算结果 进行构件配筋设计 典型的 7 图 下部悬挑端轴力和弯矩图 9 ， 桁架上部支座支承结构配筋图见图 下端大悬臂 2 14 . 4 m ， 55 m 均超过了混凝土结构设计规范规定的 结构配筋图见图 10 。 由于预应力筋主要承担轴力， ［1］ ， ， 内可不设伸缩缝的要求 平面梁板属超长结构 ， 。 所以选择直线线型 并布置于截面形心处 为控制温度作用及混凝土收缩造成的开裂和可能形 成的有害的贯通裂缝， :1) 采取了以下措施 在切向 框架梁内设置有粘结预应力筋;2 )设置施工后浇 ;3 ) ;4 ) 带 采用补偿收缩混凝土技术 根据计算的温 ， 度应力 板中温度作用由楼板在环向设置通长板钢 。 : 筋来抵抗 预应力有两个作用 控制裂缝和提高框 架梁的承载力。 结构最大温差 ± 30 ℃ ，结构合拢温度 10 ～ 25 ℃ ， 温度作用计算时考虑混凝土徐变特性对混凝 ， 0. 25 ， 土弹性模量进行折减 取徐变系数 采用弹性 分析方法设计。 ， 在梁柱内力组合中计算温度工况组合 板采用 。 ， 有限元计算温度应力 经计算 温度作用下看台下 梁最大轴力为 1 787 kN ，由预应力钢筋及腰筋承担。 19. 6 m 标高板中最大拉应力为 1. 05 MPa ，19. 6 m 标 8 ， 高板温度应力计算结果见图 室内部分板厚为 9 图 典型的支承结构配筋图 150 mm ，室外部分板厚 180 mm ，环向上下配置 HRB400 ， 12 mm ， 200 mm ， 级钢筋 直径 间距 按受拉构 件计算裂缝宽度小于0. 2 mm 。 4 看台结构梁设计 ， 上层看台下径向斜梁均为拉弯构件 即偏心受 ， ， 拉构件 拉力由预应力筋承担 弯矩由混凝土和普通 。 ， 《 钢筋共同承担 在设计拉弯构件时 使用 混凝土 结构设计规范》(GB 500 10—2002 )中钢筋混凝土偏 。 心受拉构件计算的相关公式进行配筋设计 对径向 产生拉力的框架梁采用有粘结预应力混凝土结构， C40 ， f = 1 860 N / mm2 其混凝土采用 预应力筋采用 ptk 图10 下端悬臂梁剖面图 5 结论 (1)钢结构屋盖在混凝土看台上部的悬挑支座 3. 6 ～ 5. 1m ， 3 悬臂长 通过对 种结构方案的对比分 ， 。 析 优化了结构方案 其支座荷载在看台结构径向 ( 74 ) 2 下转第 页 图8 19. 6m 标高板温度应力/ kN / m 74 建 筑 结 构 20 12 年 4 (6 ) ， 对前述 个试验节点模型在正弯矩作用下的节 数值模拟结果表明 门式刚架外伸式端板 ， ， 点性能进行了有限元建模分析 得出了节点在正负 连接节点不论是否为含缺陷节点 在正负弯矩作用 - ， 14 。 ， 弯矩作用下的弯矩 转角曲线比较 见图 下的节点性能基本相同 此结论可较大程度地方便 14 : 。 由图 的计算比较结果可知 门式刚架节点在 此类节点的性能研究 - ; 参 考 文 献 正负弯矩作用下的节点弯矩 转角特性大致相同 对 ， ［1］ CECS102 :2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 于节点域未设置加劲肋的节点 在正弯矩作用下的 ［S］． : ，2002 ． 北京 中国计划出版社 初始刚度及节点受弯承载力略有下降。 ［2］ ， ， ， ． 张一舟 王元清 施刚 等 节点刚度对多层钢框架静 5 结论和建议 力性能的影响分析 ［J］． 青岛理工大学学报，2006 ，27 (1) ， 在节点域屈曲起控制的节点中 节点域设 (3 ):29 -33 ． 置加劲肋对提高节点的承载力作用相当显著。 ［3］ ， ， ， ． 张一舟 王元清 施刚 等 节点刚度对多层平面钢框 (2 )相对于梁端板和柱翼缘同时加厚的无缺陷 ［J］． : 架抗震性能的影响分析 华中科技大学学报 城市 ， ， 科学版，2006 ，23 (2 ):4 1-45 ． 节点 含缺陷节点的极限承载力基本接近 但其弹性 ［4］SHI G ，SHI Y J ，WANG Y Q ，et al ． Numerical ， ， 抗弯能力下降 在节点荷载较大时 因端板和螺栓拉 simulation of steel pretensioned bolted end-plate ， 。 伸增大 导致节点转角相对于无缺陷节点增加较多 connections of different types and details ［J］． Engineering (3 )对于梁端板和柱翼缘均未加厚的含缺陷节 Structures ，2008 ，30 (10 ):2677 -2686 ． ， 点 单独加厚梁端板并不会明显地改变节点的行为 ［5］SHI G ，SHI Y J ，WANG Y Q ，et al ． Finite element 特性。 analysis and tests on bolted end-plate connections in steel (4 ) ， portal frames ［J ］． Advances in Structural Engineering ， 对于含缺陷节点 其初始转动刚度有所下 2004 ，7 (3 ):245 -256 ． ， 降 此时对于节点的性能分析可能需采用半刚性理 ［6］GB 500 17—2003 ［S］. : 钢结构设计规范 北京 中国计划 论进行分析。 出版社，2003 ． (5 )根据有限元计算结果及其与试验结果的对 ［7］SIMULIA INC． ABAQUS version 6. 9 documentation ， ， 比可知 文中所使用的数值模拟方法是行之有效的 ［CD］． Warwick :SIMULIA INC ，2009 ． ［8］ ， ， ， ． ABAQUS ， 庄茁 由小川 廖剑晖 等 基于 的有限元分 其结果较为可靠 可以极大地方便理论研究与工程 ［M］． : ，2009 ． 析和应用 北京 清华大学出版社 应用。 ( 84 ) ( 104 ) 上接第 页 上接第 页 、 ， 框架梁内产生很大的拉力 弯矩 对顶层框架斜梁及 上海市白龙港污水处理厂污泥处理工程蛋形消 Y ， 。 2009 12 。20 10 形柱受力影响最大 针对受力形式进行结构设计 化池结构于 年 月完成土建结构施工 (2 ) 7. 5 m ， 3 ， 上层看台下端向内斜悬臂梁悬臂长 年 月完成预应力工程 张拉过程中根据本次试验 ， 结果计算出
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