甘肃省体育馆结构设计关键技术问题介绍

转载自建筑结构《甘肃省体育比赛馆结构设计与分析》作者：张巨涛、芮佳、张晓芳、郑世军、乔帅斌等

［摘要］ 甘肃省体育馆由比赛馆和训练馆组成。比赛馆具有平面尺寸大、内部空旷、屋顶悬荷分布广泛的特点。介绍了本工程结构设计中的关键技术问题。主体结构采用钢筋混凝土框架结构，内场上方屋顶采用钢桁架结构，桁架支撑采用滑动弹性抗震球铰支座，休息室采用悬挂结构。 。主桁架为平面桁架。考虑到建筑功能的灵活性，设计中考虑了均匀吊荷载和固定吊荷载。通过稳定桁架和次梁的设置，对主桁架有更好的约束作用。 。稳定性分析表明，当桁架失稳时，只有节间杆件会失稳，不会出现整体失稳。施工场地自重湿陷等级为II至IV级，采用强压实消除部分湿陷+桩基综合方案，兼顾可靠性和经济性。

[关键词] 甘肃省体育馆；钢桁架；悬浮结构；湿陷性黄土；超长结构

1 项目概况

甘肃省体育馆位于兰州新区体育休闲文化公园西南侧，总建筑面积51796平方米。由比赛馆和训练馆组成。按结构单元分为比赛馆、训练馆、室外台阶三部分（图1）。这些部分由防振接缝分开。比赛馆地上3层，部分设有3个夹层（图2），建筑面积42983平方米，最大座位数9729个看台。比赛场馆平面呈长方形，面积为162.40m×116.20m。主桁架跨度79.80m，建筑高度32.40m，主屋面结构高度29.60m。根据建筑功能，比赛馆可分为内场和周边辅助用房两部分。东侧设有15m跨的悬空休息室。建筑造型寓意“光辉甘肃”。建筑效果图如图3所示。

设计前期对框架结构和框架剪力墙结构两种方案进行了比选。两种结构体系总体控制指标均满足规范要求，但框架剪力墙结构体系存在以下不足：根据建筑平面布局和使用功能要求，

剪力墙只能布置在平面四个角和内场周围，且剪力墙之间的距离过大；框架剪力墙结构的温度效应明显大于框架结构；围护结构为玻璃幕墙，外围布置的剪力墙影响建筑立面效果和透明度的质量。所以我最终选择了

图2 建筑物局部剖面

框架结构。

2 结构系统组成

2. 1 主要结构

根据建筑高度、跨度和荷载条件，比赛馆上部结构采用钢筋混凝土框架结构。框架柱结合附属建筑布局沿建筑周边布置。外两排柱延伸至屋顶，外环柱按照矩形平面的轮廓排列。内环柱沿看台外侧呈近似椭圆形布置，典型柱距分别为8.4和9.0m，角部最大柱距为23.3m（基于梁跨），其中主桁架支撑柱和悬臂桁架支撑柱均采用SRC柱。由于比赛馆平面尺寸较大，内部开放，为了提高整体结构的扭转刚度，采取了适当增大外环柱截面尺寸、适当减小截面尺寸的措施。中间看台柱的高度，并适当增加横向侧柱的截面高度。计算结果表明结构的扭转位移比和周期比控制合理。三层结构平面如图4所示。

中心立柱截面尺寸为600×600，桁架支撑柱

图4 3层结构方案

截面尺寸为1 000×1 000，横向边柱截面尺寸为1 200×1 300，其他柱截面尺寸为800×800。

2.2 屋顶结构

比赛场地上方屋顶长、宽为109. 8m×79. 8m。建设者要求在设计时考虑大型演艺功能。因此，屋顶上需要悬挂大量的演艺设备。屋顶有很多吊点和很多吊装点。悬挂负载大。经比选，钢桁架结构在刚度、悬载适应性、节点施工难度、构件节点数量等方面具有优势，故选择平面钢桁架结构。主桁架横向布置，通过下弦杆支撑在看台外侧框架柱的牛腿上。主桁1/3跨度处设置2根纵向稳定桁架，两端支撑处设置1根纵向封边桁架。它们共同构成了主桁架的面外稳定系统。由于悬荷载较大，为了提高桁架构件的截面利用率，上下弦杆和斜腹杆均采用箱形截面。次梁沿桁架上弦各段纵向布置，端跨次梁边缘支撑以滑动连接方式支撑在混凝土梁上（图5），以释放温度应力。交叉支撑和次梁一起形成上弦平面稳定系统。

主桁架上弦紧贴屋面板设置为略圆弧形，以满足屋面排水坡度的需要。根据建筑空间规模确定桁架最大高度为7。07m。对腹杆布置进行了比较和选择。经过综合比较用钢量、力学性能、节点复杂程度等，最终选定W形布置。三维计算模型如图6所示。

屋顶结构构件尺寸见表1。东侧休息室上方悬挑屋顶15m。采用钢桁架结构，按柱布置。考虑到悬臂跨度不大，每个桁架只有一根上弦梁和一根斜腹杆，形成最简单的桁架。该结构使得裸露的结构具有良好的视觉效果。悬臂桁架端部安装封边钢梁，开口（跨度26.40m）改为三维桁架。上弦平面设置水平支撑系统，提高悬挑屋盖的整体稳定性和水平承载能力。主桁架和悬臂桁架屋盖为金属屋面板，周边双排柱屋盖为钢筋混凝土屋盖。悬臂桁架端部与洞口三维桁架连接的节点结构如图7所示。

2. 3 屋顶主桁架支撑

主桁架支撑采用可双向滑动的抗震球形钢支撑（成品支撑），如图8所示。为了看清图中，省略了上盖。

支撑设计时除考虑重力荷载外，还需保证主屋架在风（吸）荷载和雪荷载作用下的刚度。根据中震的水平地震作用确定支座的最大滑动距离，根据大地震的作用确定水平和竖向极限承载力（时程分析）。计算结果表明，该结构在支架允许的旋转角度、水平刚度和滑动距离下能有效释放温度应力，并能减小地震作用下桁架支架的内力。轴承主要机械性能指标见表2。

2. 4休息室悬挂结构

根据建筑设计要求，休息室一侧悬空，跨度15.0m。其下方不允许有支撑杆。因此，休息室地板通过钢吊柱悬挂在屋顶悬臂桁架上，形成悬浮地板。 ，见图9。根据悬臂悬挂结构的受力特性，吊艇架的失效是力传递路径中最危险的环节。因此，在吊艇架内部安装吊索是悬挂系统的第二道防线，也是防止连续倒塌的主要措施。 。

3 主要荷载作用及结构设计控制标准

3.1 主要负荷影响

3.1.1 重力载荷

按均匀面荷载计算，立面装饰框恒载取0.5kN/m2，玻璃幕墙恒载取1.5kN/m2，金属屋面恒载取1.0kN /m2，道路（含电气专业照明、管道、水炮、马场自重）均匀恒荷载为3. 0kN/m，风管恒荷载为0. 5kN/m，LED显示组（按四点悬挂）恒载为250kN，桁架下弦均匀分布的恒载荷为0。1kN/m2。固定吊点共124个，活荷载3kN，马道维护活荷载1. 0kN/m。桁架自重由程序自动加载计算，并考虑节点增加系数1.1。

3.1.2 风荷载

考虑到金属屋面自重轻，对风荷载敏感，主桁架和悬臂桁架钢结构的承载力极限状态和正常使用极限状态均按100年一次的风荷载计算。承载力设计时的基本风压按标准值的1.1倍计算，100年一次的基本风压为0.35kN/m2。考虑吸风时，不包括活荷载，恒荷载（不含结构自重）乘以折减系数0.70。

3.1.3 地震影响

抗震设防烈度为7度（0.15g），设计地震为第三组，场地类别为II类，特征周期Tg=0. 45s（中小地震）、0. 50s（大震）地震）。阻尼比根据材料取：混凝土为0.05，钢为0.02，钢混凝土为0.04。最大水平地震影响系数按规范取，即小、中、大地震分别取0.12、0。 。 34, 0. 72。主桁架、悬臂桁架和悬挑楼板均考虑竖向地震效应的影响。竖向地震作用根据反应谱CQC法、弹性时程法和8%重力荷载代表值中的较大值确定。

3.1.4 温度影响

甘肃省体育馆所在地区年平均气温7.0℃，月平均最高气温34℃，月平均最低气温-15℃。结构的闭合温度暂定为5～15℃，计算时结构整体温差影响最大，正负温差均取30℃。

3.2 设计控制标准

抗震设防类别为乙级，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级​​为1级，结构重要系数为1.1，基础设计等级为乙级。除满足本标准规定的设计要求外，针对特殊零部件制定了规范、针对性的控制标准。

3.2.1变形控制指标

钢梁或桁架在恒载和活载标准值（可减去弯度）下的允许挠度值按表3控制。表中L为梁的跨度，对于悬臂梁，它是悬臂长度的两倍。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）第10.2.12条的要求，钢屋盖在重力荷载代表值和常发竖向地震标准值下的允许组合挠度值是L/250。

3.2.2 整体稳定性控制标准

屋面钢桁架和悬臂钢桁架的最低阶线性屈曲荷载系数不小于10. 0[1]，考虑初始几何缺陷的双非线性屈曲荷载系数不小于2. 0[2]。

3.2.3钢结构构件应力控制标准

根据杆件的重要性和结构冗余度，对各类杆件采取不同的控制标准（表4）。与支撑连接的钢桁架关键构件的应力是指考虑内力增加系数后的值；任何情况下，吊柱都不能压缩，吊索不能松弛。

3.2.4 抗震等级

框架抗震等级为1级，其中悬臂桁架支撑柱、主桁架支撑柱、单跨框架提升为特1级。

4 结构性能分析

采用YJK、MIDAS/Gen等程序对结构静、动态性能及屈曲稳定性进行计算分析。由于计算结果相似，为了节省篇幅，下面仅分析MIDAS/Gen的计算内容。

4.1 分析模型

采用个体模型分析与主桁架整体模型相结合的分析方法，探讨钢结构与混凝土结构的协同工作机理，为设计提供准确依据。首先，采用单独的主桁架模型进行方案试算和调整，包括主桁架支撑；然后建立总体模型，对总体结构进行计算分析，作为设计的依据。由于楼板的平面形状基本为环形，楼板的刚度对结构的应力有显着的影响。设计时考虑了混凝土楼板变形的影响，采用弹性板计算。对于这两种模型，都需要考虑成品轴承的刚度模拟，并使用弹性连接来模拟轴承。整体计算模型如图10所示。

4.2 结构振动模态

整体结构模态分析（表5）表明，一阶和二阶振型分别是Y向和X向的主要振型；三阶振型是主要的水平扭转振型；八阶振型为垂直振型。以主要振动类型（垂直振动频率1. 78Hz>1Hz）；第一扭转周期与第一平移周期之比为 0. 80 (<0. 9)，前 60 一阶模态中，结构 X、Y 方向平移和扭转振动模态的质量参与系数达到99. 9%，垂直振型质量参与系数达到98. 6%，满足规范要求。

4.3 结构变形

在重力荷载标准值下，主桁各跨的挠度比较均匀。其数值分布范围为86. 4 ~ 121. 2mm，挠度跨度比为1 /751 ~ 1 /658。虽然主桁架的挠跨比满足要求，但由于主桁架跨度较大，为了使结构受力变形后的形状尽可能与建筑设计形状一致，对主桁架进行了预应力处理。 - 拱形，拱度值根据各种标准 恒载引起的桁架竖向变形值为最小值，拱后跨中挠度值为 34. 4 ~ 43. 2 mm，挠度跨度比为 1 / 1 886 ~ 1 / 1 847。

吸风联合工况下，主桁跨中挠度最大值（不含桁架预弯值）为55mm，挠跨比为1/1 451。水平地震作用下X向、Y向结构最大层间横向变形分别为8. 0mm（h/726，位于3、2层）、7. 6mm（h/763，位于3、2层）分别。 ，最大扭转位移比为1. 30。在竖向地震和重力荷载作用下，主桁架最大竖向位移为122. 4mm（l/648＜l/250），主桁架最大竖向位移为122. 4mm（l/648＜l/250）。悬臂桁架端部尺寸为71. 3mm（l /210＜l /125），均满足规范要求。

4. 4 主桁架整体稳定性

对主桁架进行了线性特征值屈曲分析、考虑初始缺陷的特征值屈曲分析以及弹塑性全过程分析。载荷系数定义为施加载荷与1. 0D + 1. 0L 载荷组合的比率。初始几何缺陷取为一阶线性屈曲模态，缺陷幅值为跨度的1/300。线性特征值屈曲分析表明，一阶屈曲模态对应的载荷系数为10.861。考虑结构初始几何缺陷的非线性稳定性分析表明，一阶屈曲模态对应的荷载系数为10.880，表明平面桁架对初始缺陷不敏感。前9种屈曲模态均为桁架上弦杆的局部失稳，结构不存在整体失稳，表明失稳平面桁架的整体稳定性能飞机稳定系统更好。考虑初始缺陷的整个弹塑性过程分析表明，结构发生极点失稳破坏时对应的极限荷载系数为3.31>2.0，满足规范要求。

当结构失稳破坏时，中间应力最大的两个桁架上弦跨中段之间的应力超过屈服强度。失稳表现为杆件局部失稳后强度失效，不构成整体失稳。

4.5 钢结构构件的应力

最不利荷载组合下，主桁一般构件最大应力比为0.79，与支撑连接的关键构件最大应力比（考虑关键构件内力增加系数1.1后）为 0.74 ；悬臂桁架上弦最大应力比为0。45，下弦最大应力比为0。47，均满足要求。

4. 6 大地震弹塑性动力时程分析

4.6.1 分析模型

混凝土材料采用弹塑性损伤模型，混凝土材料轴压强度、轴拉强度标准值采用符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）的标准值;钢材采用标准双线模型，应变硬化率为0. 01。构件模型采用宏观模型（骨架曲线）。每个部件根据不同的受力状态对应不同的塑性铰链和骨架部件。框架梁采用耦合双向弯矩M2-M3铰链，框架柱采用耦合轴力-双向弯曲。力矩P-M2-M3铰链，主桁架支撑采用非线性连接单元模拟，楼板采用非线性层状壳模型模拟。

4.6.2 地震波的选择

总共选择了 3 个地震波进行分析（2 个自然波和 1 个人工波）。最大峰值加速度为310cm/s2。每个波在 3 个方向上对结构产生影响。 X、Y、Z方向的峰值加速度比分别为1:0.85:0.65和0.85:1:0.65。

4.6.3 计算结果分析及结构性能评价

结构X、Y方向最大层间位移角分别为1/114（2层夹3）、1/108（2层夹3），均满足<1/的要求50.从结构的弹塑性变形形式来看，虽然部分结构构件存在塑性铰，但整体结构没有发生大的破坏变形或局部倒塌，达到了大震中不倒塌的性能目标。

从框架梁塑性损伤的发展情况来看，大多数混凝土框架梁都有塑性铰，但塑性程度较小。只有部分框架梁进入中等屈服状态。其中，单边梁、环形看台外围框架梁23根。标高050m处，无楼板的框架梁塑性铰较多，特别是环形看台弧角处。钢梁均处于弹性状态。

从框架柱的塑性损伤来看，钢混凝土框架柱基本处于弹性状态。钢筋混凝土框架柱仅海拔29.600m处的8根框架柱出现混凝土开裂。横截面应力刚刚超过屈服应力。它们的位置分布在环形看台上。圆弧角。主桁架、悬臂桁架和吊柱均无塑性铰，截面处于弹性状态，说明主受力柱采用型钢混凝土柱是非常有效的。

在大地震的作用下，大部分楼板都遭受了塑性破坏，但仍表现出良好的完整性。通过损伤应力应变分析，损伤类型均为混凝土受拉损伤，钢筋不屈服，不存在混凝土受压损伤。 13、由于对海拔500m的弱带材采取了一定的加固措施，所以带材塑性损伤不明显，说明加固措施是有效的。屋顶有大面积明显的塑料破损。由于它对建筑物的屋面起到约束作用，可以提高结构的整体侧向抗力，因此在施工图阶段对这部分进行了加强。

5 超限情况及抗震加固措施

5.1 超限判定

本工程跨度大、结构复杂。不规则分析表明：考虑偶然偏心的扭转位移比为1.26；三层及以上楼层有效宽度小于50%，且开口面积大于30%；休息大厅向一侧突出15m，超过4m；休息室外面有悬挂的柱子。经认定该项目为超限高层建筑，故申请超限审查并顺利通过。

5.2 主要抗震加固措施

根据超限审查意见，采取的主要抗震加固措施如下：

（1）抗震性能目标：主桁架、悬臂桁架、悬臂桁架支撑柱、吊柱按中等地震弹性和大震时不屈服设计；主桁架支撑柱按中震剪弹、抗弯、抗大震设计。设计满足地震作用下断面的剪力控制条件。

(2)主桁架和悬臂桁架支撑柱均采用型钢混凝土柱。休息室的悬挂组件采用钢吊柱+吊索的双保险方案，共同悬挂在悬臂桁架上。任何部件均能独立承受全部载荷，保证在任何工况下，吊柱不受压，吊索不松弛。

(3)结构计算时考虑扭转耦合和双向地震作用的扭转效应。

(4)将楼板开孔形成的薄弱板条计算为弹性板，补充中震下的应力分析。根据计算结果，中震作用下各薄弱板带的剪压承载力满足设计要求。但薄弱板条大面积产生拉应力，且部分部位拉应力较大，因此增加厚度和配筋。措施。洞口处的边梁应适当加宽截面，并配置抗扭纵筋和箍筋。通过这些措施，这些部位的受力状况得到了显着改善。

6 基础设计

施工场地地处起伏的黄土低山、沟壑丘陵地区。场地内分布有4条冲沟。设计开始前，场地已平整。场地最大填方厚度约9.5m，最大开挖高度约9.5m。 25.0m。场地现状地层自上而下分布为：填土层、黄土状粉砂层、砾石砂层、胶结砾石层、强风化泥岩层、缓和泥岩层。其中，填土层和黄土状粉土层具有II-IV级自重湿陷性，最大塌陷深度为18. 5m，计算塌陷量Δs=39. 40～254. 30cm，计算值为自重塌陷Δzs = 33.90~255.30cm。

采用地基处理+桩基综合方案。首先采用高能强夯法对整个建筑工地进行压实。单步压实能量为12 000kN·m，有效处理深度为10m，消除该范围内土壤中的水分。土壤的湿陷性和压实度，处理后剩余湿陷性为2. 3 ~ 49. 5cm。然后，在处理过的基础上形成桩。桩型为机械旋挖孔灌注桩。桩端持力层为强风化泥岩。桩径分别为1.0、1.2m，桩长约为42. 5～49. 5m。考虑湿陷土层桩侧负摩阻力和非塌陷土层桩侧正摩阻力后，单桩承载力特征值为4 100、5 000kN。

7 特殊施工要求

主桁架支撑采用滑动弹性抗震球铰支撑。为了尽量减少支架内弹簧在静力作用下产生的内力，支架被延迟固定，并在主桁架和屋盖系统安装完毕后进行调整。确定支撑位置后，进行固定，使桁架支撑杆中心与支撑中心尽可能重合。

施工现场地处干旱地区，早晚温差较大，风吹日晒对混凝土施工质量影响较大。除设计温定型后浇带、补偿收缩混凝土、聚丙烯纤维、温筋等措施外，施工时还需采取以下措施： 优化材料配比，降低水化热，将混凝土低温入模，以混凝土后期强度（f60代替f28）作为强度判定标准，减缓水化热的产生速度，温度监测和动态控制是在混凝土倾泻过程中进行的。防风和防晒，在施工和维护过程中采取热隔热措施，并延长了维护时间。目前，混凝土结构已经完成。没有发现明显的裂缝。

8 结论

（1）鉴于比赛大厅的较大平面尺寸，开放的内部和柔性建筑功能，主结构采用了钢筋混凝土框架结构，屋顶采用钢桁架结构，休息室采用悬浮结构。结构选择是合理的，并且适当地安排了不同类型的组件以实现建筑和结构统一。

（2）根据各种类型的杆的重要性和结构冗余，采用了不同的控制标准。严格控制桁架的关键组件的应力比。冗余较低的悬架结构认为二级力传输路径。这样可以防止局部组件损坏导致连接组件的连续损害。

（3）屋顶结构的总体稳定性分析表明，具有合理的平面外稳定系统的平面桁架的总体稳定性性能更好。它的稳定状态取决于组件的稳定性性能。当结构不稳定且受损时，它表现为桁架的上弦成员。发生局部空位不稳定，并且结构不会遭受整体屈曲不稳定的困扰。计算分析还表明，平面桁架对初始缺陷不敏感。

（4）主屋顶桁架中使用的地震球形钢轴承可以有效地减少地震对钢桁架的影响，并在不同水平的条件下符合预设性能标准。根据对温度差异效应的分析，证明了反性球形钢轴承可以有效释放由温度差异效应引起的内力，并减少支撑结构的设计内力。在施工模拟分析中，需要安装后轴承和桁架的轴对准，这是确保地震球形钢轴承有效操作的必要措施。

（5）施工现场具有II-IV级自重可折叠性。该设计采用了基础治疗 +桩基础的全面计划。首先，使用高能量压实方法将施工现场压实，以消除基座以下10m以内的土壤。减少了身体的可折叠性，然后在处理的基础上形成桩。桩粉底测试表明，单桩的轴承能力满足了设计要求。

参考

[1] Fu Xueyi，Sun Can，Wu Bing等。深圳北火车站的平台顶篷的新弦支撑结构系统［建筑结构，2015，45（1）：47-52。

[2]空间网格结构的技术法规：JGJ 7-2010 [S]。北京：中国建筑业出版社，2010年。