武汉体育中心体育场结构设计 - 结构理论.doc

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1、武汉体育中心体育场结构设计-结构理论武汉体育中心体育场结构设计-结构理论武汉体育中心体育场结构设计郭必武李治（武汉建筑设计院430014）提要武汉体育中心六万人体育场结构设计采用钢筋混凝土框架——筒——索膜整体结构体系。结构受力分析采用空间非线性计算程序。通过风洞试验确定风载取值。通过局部模型试验检查关键部位的受力特点和设计计算结果。根据索膜蓬盖特点的特殊结点设计保证了安装、使用的安全可靠。框——筒——索膜结构在大型体育场的设计中是一种先进的效果良好的结构型式。关键词框——筒——索膜结构风洞试验节点设计一、概述武汉市体育中心是武汉市规模

2、最大的体育建筑群，包括六万人体育场、游泳馆、水上娱乐中心等一组现代化的体育建筑。体育中心位于武汉沌口经济开发区腹地，318国道从其西侧经过，与占地1600亩的新江汉大学遥遥相对，形成武汉市又一现代特色的大型文化中心。开发区是武汉市改革开放的硕果之一，轿车产业发达，近廿年的新型建筑规划合理、布局有致、交通四通八达，这座现代化的体育中心座落在该区是十分相宜的。体育场是体育中心的主体工程，建筑面积8万平方米，投资约3.7亿元，设有总高45米的二层看台，可容纳六万观众，一流的场地设施，可以承担国内国际的一流大型比赛。体育场由四个花瓣形看台组成椭

3、圆形平台，长轴277米，短轴245米，（周长约800米）竞技场设于其中，从任意位置均可清楚的观看场内项目比赛。看台采用框架结构体系，设置四个角筒，框—筒为蓬盖支座，蓬盖采用目前国际上流行的索膜张拉结构，施加予应力后与框—筒共同受力，形成框—筒—索膜结构体系。（图1）二、结构体系(一)框架结构体系部分：蓬盖以下部分为体育场看台及办公辅助用房，采用框架结构体系。径向框架为主要受力方向。承受看台及楼盖荷重，并承受蓬盖荷载。框架共56榀，东西区悬挑过大，为减小端点位移，采用Y型框架立柱（图2）径向框架悬臂端为蓬盖Y形大悬挑桁架钢伸臂支座。设计为

4、钢筋混凝土L型刚臂。顶点根据蓬盖反力和计算简图设计为铰支座，L型角部为蓬盖下拉杆支座，形成蓬盖伸臂的平衡系统。横向框架由径向框架柱、连梁、楼盖梁组成。看台座采用现浇予应力┏型梁，整体性较好。花瓣形平面四角交汇处设计高约40米直径10米的钢筋混凝土筒体，承受拱形外环梁巨大的水平推力，保证蓬盖索膜系统形成空间稳定结构。(二)蓬盖索膜体系：蓬盖由伞状膜结构单元组成。东西侧看台每侧18个膜单元，南北侧看台每侧14个膜单元，总共64个膜单元。每个膜单元承担结构自重、屋面荷重、检修荷重和音响、灯光、马道等悬挂荷重。风载是蓬盖结构的主要荷载，通过风洞

5、试验取值。抗震设防烈度为七度。伞状膜单元由钢臂、索、膜组成。钢臂为Y形平面。钢管空间桁架。臂伸最大长度52米，后部通过钢管下拉杆平衡。钢管下拉杆组成空间三角形，锚固节点为钢筋混凝土刚臂。钢臂与刚臂采用铰结支座。内环索施加予应力后起弹性支点作用。铰结支座处设立柱，立柱与上拉索形成蓬盖膜需要张拉成形的高度和予张力，满足蓬盖的铺设要求。索膜部分包括谷索、脊索、边索、内环索、各索施加予应力才能参加蓬盖受力，予应力值根据膜找形和使用条件计算确定，内环、索各点垂直位移控制在20cm以内。各膜单元通过上下环梁，内环索相互联结并与四角筒撑杆平面上形成非

6、线性的整体受力体系。上下环梁是一个空间拱，拱脚支座为四个角筒，内环索相当于拱拉杆。大部分水平力分力由空间拱承受，垂直力主要由钢臂通过挑台框架传给基础，同时空间拱也承受部分竖向力。（图3）三、内力分析由于体系的非线性特点，采用非线性专用程序进行内力分析。根据体系建立三维空间有限元模型整体分析求解，从而得到杆件单元的设计内力。设计考虑了包括地震作用组合的17个工况，进行荷载不利组合。起控制的工况为上拔风工况及XY风荷载与活载组合的工况。属于由可变荷载效应控制的组合。东西看台铰支座内力最大值其竖向力为7000kN，水平力为5000kN。控制工

7、况内力计算结果表1工况组合杆件最大内力（kN）杆件最小内力（kN）1上拨风工况4492-38062X方向风载2791-38443Y方向风载2640-34534XY方向风载和活载组合3635-4853注+表示拉力；－表示压力四、节点设计索与钢臂、立杆、拉杆采用销接。钢臂与框架支座采用空间铰。空间铰的设计是保证索桁受力和框架支座安全的关键。在进行整体力学分析时在索桁平面内设计为铰。目的是不传递弯矩，避免框架支座产生很大的柱端弯矩，使钢筋混凝土L形刚臂立柱截面、配筋很大而难以满足设计和施工要求。索膜安装时予应力张拉的不平衡力形成水平弯矩及安装

8、偏差的次弯矩，造成刚臂立柱的扭矩，也是必须避免的。在使用阶段风载会产生水平不平衡力，其力由内外环索和水平支撑承受，在该节点处不产生扭矩。空间铰接触面为一球冠，球面半径按接触面承受水平力和垂直力的最不利内力数