劉瓊祥總經(jīng)理、總工程師深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)

鋼屋蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化分析1

工程簡介深圳大運(yùn)動(dòng)中心體育場(chǎng)位于深圳龍崗區(qū)，是2011年世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的主要體育賽事場(chǎng)地體育場(chǎng)造型猶如一顆綠色的水晶石。建筑平面圖工程概況建筑平面尺寸274m×289m,可容納6萬名觀眾。鋼屋蓋采用單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式。由20個(gè)形狀相似的結(jié)構(gòu)單元通過空間相互作用聯(lián)系在一起，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈雙軸對(duì)稱。整個(gè)鋼屋蓋與混凝土看臺(tái)完全脫開，由20個(gè)鑄鋼球鉸支座支承。屋蓋中間開洞尺寸180m×130m，屋蓋懸挑長度在不同區(qū)域分別為51.9m到68.4m。前端最高點(diǎn)34.89m，后端最高點(diǎn)45.90m，屋蓋形狀為馬鞍形，內(nèi)環(huán)高差8.57m，外環(huán)高差12m。建筑東立面圖建筑剖面圖2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成體育場(chǎng)屋蓋由20個(gè)形狀相近的結(jié)構(gòu)單元組成，雙軸對(duì)稱。(鋼屋蓋單元編號(hào)示意圖)單元主桿件分組編號(hào)及節(jié)點(diǎn)命名示意每個(gè)單元由13個(gè)三角形面、19根桿件、8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。造型的凸點(diǎn)、凹點(diǎn)等構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)形狀的控制點(diǎn)。內(nèi)環(huán)點(diǎn)、冠峰點(diǎn)為焊接節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)均為鑄鋼節(jié)點(diǎn)。主次桿件的布置三角形面面交線是結(jié)構(gòu)主桿件，斷面形式為圓管，直徑由700～1200mm不等次桿件位于主桿件四分點(diǎn)的連線處，斷面形式為焊接組合箱形斷面，高度450～600m。次桿件與主桿件、次桿件與次桿件之間的連接均采用剛性連接。球鉸支座鑄鋼球鉸支座底盤與水平方向夾角均為15°，該支座限制三個(gè)線位移，放松三個(gè)角位移.傳力路路徑示示意圖圖該結(jié)構(gòu)構(gòu)由彎彎折的的三角角形折折面形形成面面外剛剛度；；空間效效應(yīng)形形成環(huán)環(huán)向力力構(gòu)成成不可可見的的空間間支撐撐點(diǎn)；；次桿件件網(wǎng)格格提高高了折折面剛剛度，，與相相鄰折折面的的次桿桿件對(duì)對(duì)主桿桿件形形成側(cè)側(cè)向約約束；；連通的的馬道道、肩肩谷環(huán)環(huán)梁等等將20個(gè)單元元緊密密聯(lián)系系在一一起；；豎向和和水平平荷載載通過過主桿桿件的的拉、、壓、、彎等等作用用傳遞遞到支支座，，如圖所示。3結(jié)構(gòu)特特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)穩(wěn)定定問題題突出出單層結(jié)結(jié)構(gòu)且且懸挑挑跨度度大，，體育育場(chǎng)內(nèi)內(nèi)部無無可見見結(jié)構(gòu)構(gòu)支撐撐構(gòu)件件；空間作作用顯顯著，，整體體性要要求高高。G6、G16聯(lián)合作用提提供不不可見見的空空間支支點(diǎn)，，才能能形成成穩(wěn)定定結(jié)構(gòu)構(gòu)，這這就要要求結(jié)結(jié)構(gòu)具具有較較強(qiáng)的的整體體性，，肩谷環(huán)環(huán)梁、、馬道道環(huán)梁梁、內(nèi)內(nèi)環(huán)梁梁設(shè)置置及與與節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的剛剛接等等對(duì)增增強(qiáng)單單元之之間的的聯(lián)系系作用用較大大；3結(jié)構(gòu)特特點(diǎn)（2）傳力力路徑徑彎折折應(yīng)力集集中現(xiàn)現(xiàn)象突突出，，特別別是10根桿件件交匯匯的肩肩谷節(jié)節(jié)點(diǎn)，，G13（圖6）組桿桿件的的上部部彎矩矩明顯顯大于于其它它桿件件。（3）工程程技術(shù)術(shù)綜合合，難難度大大。80多噸的的超大大鑄鋼鋼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)超過過規(guī)程程的技技術(shù)要要求承擔(dān)巨巨大荷荷載的的碗蓋蓋球的的鋼球球鉸支支座鋼板熱熱成型型厚壁壁圓管管等三三項(xiàng)技技術(shù)在在國內(nèi)內(nèi)建筑筑工程程很少少應(yīng)用用。4結(jié)構(gòu)主主要分分析結(jié)結(jié)果結(jié)構(gòu)動(dòng)動(dòng)力特特性三種計(jì)計(jì)算方方法得得到的的周期期、振振型較較為接接近；；前5階振型型均表表現(xiàn)屋屋面豎豎向振振動(dòng)，，體現(xiàn)現(xiàn)了立立面剛剛度較較好，，屋面面剛度度相對(duì)對(duì)薄弱弱。4結(jié)構(gòu)主主要分分析結(jié)結(jié)果結(jié)構(gòu)位位移風(fēng)荷載載、多多遇地地震作作用下下的水水平位位移角角均遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于1/500，滿足足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范要要求；；在各種種最不不利荷荷載組組合工工況下下，豎豎向位位移1/224，滿足足1/200的要求求。構(gòu)件應(yīng)應(yīng)力比比有地震震組合合的應(yīng)應(yīng)力明明顯低低于無無地震震組合合，風(fēng)風(fēng)荷載載起控控制作作用。。整體應(yīng)應(yīng)力比比控制制在0.85以下，，以拉拉應(yīng)力力為主主的桿桿件應(yīng)應(yīng)力比比不超超過0.70。5位移控控制本工程程采取取預(yù)先先起拱拱的方方法，，以減減小結(jié)結(jié)構(gòu)變變形。。適應(yīng)幕幕墻結(jié)結(jié)構(gòu)變變形是是撓度度控制制的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。。主體體結(jié)構(gòu)構(gòu)卸荷荷后安安裝幕幕墻結(jié)結(jié)構(gòu)，，其零零應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)發(fā)生生在主主體卸卸荷完完成時(shí)時(shí)主體結(jié)結(jié)構(gòu)變變形與與幕墻墻應(yīng)力力相關(guān)關(guān)的是是△3、△5，只要要控制制這二二項(xiàng)數(shù)數(shù)據(jù)，，滿足足在各各種工工況下下的變變形即即可，，體育場(chǎng)場(chǎng)鋼屋屋蓋懸懸挑撓撓度確確定為為扣除除結(jié)構(gòu)構(gòu)自重重的變變形控控制值值為懸懸挑跨跨度的的1/200。△3為卸荷荷后設(shè)設(shè)備、、幕墻墻、降降溫、、下壓壓風(fēng)等等不利利組合合產(chǎn)生生變形形△5為卸荷荷后升升溫、、上吸吸風(fēng)等等不利利組合合產(chǎn)生生變形形6結(jié)構(gòu)找找形分分析6.1支座位位置調(diào)調(diào)整為了提提高抗抗傾覆覆的結(jié)結(jié)構(gòu)能能力，，將支支座外外移與與肩峰峰點(diǎn)垂垂直，，使得得整個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)體系系平面面布置置合理理趨向向圓形形；增大抗抗整體體傾覆覆力臂臂，如如圖12所示，，同時(shí)時(shí)增強(qiáng)強(qiáng)了20個(gè)單元元之間間的相相互空空間作作用。。6.2內(nèi)、外外環(huán)高高差調(diào)調(diào)整隨著內(nèi)內(nèi)環(huán)高高差由由13.60m降到8.57m，外環(huán)環(huán)高差差由17.5m降到12.0m，支座座的環(huán)環(huán)向推推力減減小13.2%；在G13桿件的的上部部應(yīng)力力集中中區(qū)域域，合合成彎彎矩減減小了了6.7%，有效效改善善了應(yīng)應(yīng)力集集中的的狀況況。6.3冠峰、、冠谷谷高差差調(diào)整整為了提提高屋屋蓋前前端剛剛度，，增強(qiáng)強(qiáng)抗風(fēng)風(fēng)能力力，將將冠峰峰、冠冠谷之之間高高差從從8.5m調(diào)整到到10.7m，隨著冠冠峰、、冠谷谷之間間高差差增加加，屋屋蓋前前區(qū)的的撓度度減小小22.7%，屋面前前區(qū)與與后區(qū)區(qū)的撓撓跨比比（撓撓度與跨度度l的比值值）由由1.39降到1.10減小20.9%，顯著著改善善了屋屋面變變形不不均勻勻狀況況。7肩谷環(huán)環(huán)梁對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)影響響7.1動(dòng)力性性能原方案案平面面變形形較大大，y方向明明顯變變長，，橢圓圓形的的洞口口變得得很狹狹長，，現(xiàn)方方案平平面變變形較較?。?；屋面由由四個(gè)個(gè)波變變?yōu)槎€(gè)波波不同結(jié)結(jié)構(gòu)方方案周周期對(duì)對(duì)比現(xiàn)方案案屋蓋蓋單元元之間間的聯(lián)聯(lián)系增增強(qiáng)，，平面面外剛剛度明明顯提提高，，相應(yīng)的的第1周期縮縮短約約30%，前3個(gè)周期期減小小明顯顯不同結(jié)結(jié)構(gòu)方方案風(fēng)風(fēng)振系系數(shù)對(duì)對(duì)比結(jié)構(gòu)的的風(fēng)振振效應(yīng)應(yīng)減小小約7%~8%，30°°、45°°風(fēng)向角角分別別減小小12.4%和16.0%。7.2靜力性性能現(xiàn)方案案水平平位移移減小小45%左右，，肩峰點(diǎn)點(diǎn)最大大位移角角達(dá)到到1/800~1/1000。單元應(yīng)應(yīng)力集集中最最顯著著G13桿件的的內(nèi)力力合力力彎矩矩呈明明顯降降低的的趨勢(shì)勢(shì)；7.3支座反反力增設(shè)肩肩谷環(huán)環(huán)梁后后，結(jié)結(jié)構(gòu)支支座的的水平平推力力減小小1.9%~6.8%，豎向支支撐力力增加加2.8%~3.5%，肩谷環(huán)環(huán)梁起起到一一定的的環(huán)箍箍作用用。8結(jié)論(1)根據(jù)變變形控控制要要素和和幕墻墻結(jié)構(gòu)構(gòu)施工工安裝裝順序序，體體育場(chǎng)場(chǎng)鋼屋屋蓋撓撓度控控制標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)確確定為為扣除除結(jié)構(gòu)構(gòu)自重重的變變形值值為懸懸挑跨跨度的的1/200，經(jīng)濟(jì)濟(jì)合理理。(2)對(duì)這種種新型型結(jié)構(gòu)構(gòu)，結(jié)結(jié)構(gòu)找找形是是非常常重要要的。。通過過結(jié)構(gòu)構(gòu)找形形和增增設(shè)肩肩谷環(huán)環(huán)梁前前后對(duì)對(duì)比分分析表表明：：優(yōu)化化后的的結(jié)構(gòu)構(gòu)周期期減小小，水水平剛剛度增增強(qiáng)，，支座座環(huán)向向推力力減小小，構(gòu)構(gòu)件彎彎矩減減小、、軸力力增大大，并并改善善了應(yīng)應(yīng)力集集中狀狀況。。（3）在臺(tái)臺(tái)風(fēng)經(jīng)經(jīng)常出出現(xiàn)的的深圳圳，結(jié)結(jié)構(gòu)自自振周周期控控制在在