某中型體育館的設計與探討

劉玉峰

（中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018）

隨著奧運會的成功申辦，體育運動在我國得到越來越廣泛的普及。全國各地興建了大量的體育場館，健身運動也越來越得到全國人民的重視。隨著中國城市化的快速發展，還將有越來越多的地方會興建自己的體育場館和體育中心。由于體育建筑具有其自身的特殊性，沒有經驗的人初次設計往往會遇到一些難題或者考慮不周的地方。筆者有幸設計了一座中型體育場館，積累了一些設計經驗，在這里與大家一起分享。

1 工程簡介

該體育館位于某市新城區大學城內，是一個具有5 000座位的多功能的綜合性體育館，可進行籃球、排球、羽毛球、手球等項目的比賽，也可進行大型集會、文藝演出、體育教學和訓練等。該工程總建筑面積約為14 000m2，其中比賽大廳約6 000m2，訓練室約800m2。在5m 標高處設有1層樓面，將看臺分為上下兩部分看臺，同時在1層樓面及首層看臺的下面設有訓練室、運動員休息室、貴賓室、采訪室、辦公用房、衛生間及設備用房等。1層樓面主要為疏散、活動場所，2層看臺設有衛生間和設備用房。在10.78m 標高局部設有控制室，建筑總高度24m。整個體育場館的屋蓋結構由周圈鋼筋混凝土結構框排架支撐，室內所有看臺和樓面均為混凝土現澆結構，屋蓋為75.1m×75.1m 雙向正交正放預應力網架。該工程現場實景圖，如圖1所示。

2 結構體系選型

由于體育館使用功能對大空間、大跨度及靈活布置的要求，在該建筑中形成了大空間、大平臺、大臺階等多種復雜結構的組合。

1）下部結構：支撐看臺和樓面的部分采用常見的混凝土框架結構，1層樓面以上因大空間要求采用框排架結構支撐屋蓋體系。

2）屋蓋體系：由于整個比賽場館全部在1個大屋蓋之下，2個方向跨度為75.1m×75.1m，跨度很大。根據整體結構形式及建筑要求，采取網架是最好的選擇。如果采用四角錐網架，用鋼量較為節省，但必須采用雙層網架才能夠滿足安全要求，這樣導致屋蓋拱高過大，最高處會達到6m，從而使得屋蓋高度與室內凈空的比值過大，使人感覺非常壓抑；同時，由于屋面采用玻璃采光頂，雙層四角錐網架桿件太多，透光效果也不太好。經過對照比較，最后決定采用雙向正交正放預應力網架，雖然用鋼量有所增加，但是采用預應力能夠有效的減少屋蓋的拱高和撓度變形；同時，屋蓋桿件的用量也有效地降低，既能滿足建筑感官效果，也能更好的滿足采光要求。

3 結構計算分析

3.1 計算基本假定

1）混凝土部分由于樓面開有大孔洞，且各部分標高也有變化、不統一，因此不采用各層樓板處剛度無限大的假定，應將各層樓板作為板單元參與計算。

2）網架支座按滑動鉸支座考慮，屋蓋的所有節點處的桿件連接均按剛接考慮（除支撐與屋蓋連接處）。

3.2 計算模型

此次計算模型，見圖2、圖3。

3.3 結構計算參數

抗震設防烈度：7度（0.10g），Ⅱ類，1組。

溫度變化范圍：T＋＝＋30 ℃，T－＝－30 ℃。溫度線膨脹系數，取1.2×10－5。

主要荷載組合：

1）1.20 恒載＋1.40 活載工況1；

2）1.20 恒載＋1.40 風載工況（下壓風）；

3）1.00 恒載＋1.40 風載工況（上吸風）；

4）1.20 恒載＋1.40×0.90 活載工況1 ＋1.40×0.90 風載工況（下壓風）；

5）1.20 恒載＋1.20×0.50 活載工況1 ＋1.30 水平地震；

6）1.20 恒載＋1.40×0.70 活載工況1 ＋1.40×0.80 溫度荷載。

4 結構計算

設計時需要考慮樓板開大洞的不利影響，加之屋頂網架由于溫度變形受限而在支承柱頂產生很大的水平推力，而框架柱的側移又直接影響到網架結構中桿件的內力分配，兩者相互影響。如何將網架與混凝土框架作為一個整體進行分析是本工程的一大難點。目前的SATWE 程序無法做到這一點，一般的網架設計程序也不能對混凝土結構作出準確的分析。但考慮到網架對混凝土結構的影響應主要限于支承柱和環梁，對樓層梁應無太大的影響。因此，在設計時首先對屋架進行簡化，用剛度相等的鋼梁將屋面荷載傳導給下部結構，再用SATWE程序對1～3層混凝土主體結構部分進行設計計算。由于看臺部分為斜梁，SATWE 程序難以準確模擬，又抽取單榀框架用PK 程序對斜梁和柱進行復核，再用網架計算程序3D3D 對屋架進行設計，計算時將下部結構按實際情況輸入以考慮支座剛度的影響。考慮的荷載主要包括結構自重、屋面板重量、吸聲保溫材料、馬道、燈具、音響等恒載，活荷載，風荷載，雪荷載，溫度作用和水平地震作用。選取21種工況組合進行分析，同時亦考慮了活荷載的不利布置對結構的影響，最后采用Midas軟件對鋼結構計算進行校核。

計算結論：

1）在恒載和活載標準組合作用下結構最大撓度103mm，為跨度的1／730，變形滿足要求；

2）下弦鋼絞線最大拉應力518 MPa，最小拉應力288 MPa，滿足要求；

3）鋼結構最大拉應力106 MPa，最大壓應力139 MPa，在程序中對鋼結構桿件進行設計驗算，桿件應力比均小于1，滿足要求；

4）地震作用產生的應力很小（最大8 MPa），不起控制作用。

5 設計中應該注意的幾處地方

1）大部分體育館平面尺寸都十分巨大，經常出現超長的現澆結構。

為了防止由于溫度變化和混凝土的收縮而對結構產生不利的影響，通常采用以下幾種措施：（1）混凝土澆筑設置后澆帶分段進行施工。（2）采用專門的預應力措施來防止混凝土開裂。（3）采取能減小混凝土溫度變化或者補償溫度收縮的措施。

該工程混凝土部分平面形式為正方形，每邊長度為76m，屬于超長結構。由于混凝土結構部分基本全處于室內，且考慮結構平面較為規整，因此采用每邊設兩道UEA－H 膨脹加強帶來解決混凝土的溫度收縮問題，加強帶處的梁板均進行加強處理，施工完畢后起到了不錯的效果，經過一個冬夏循環未見結構平面產生收縮裂縫。

2）暖風的新風系統在看臺的支撐梁上要開很多直徑為150mm 的出風孔，如圖4所示。

這些開孔使梁的剛度產生了改變，從而使得梁的內力也發生了一定的變化。通過Ansys軟件對開孔梁與無開孔梁的對照模擬分析，可知開孔梁的撓度以及內力均比未開孔的梁有所增大，增加幅度在15%～25%之間。因此在設計中，開孔的位置應當盡量放在梁的中和軸所在區域，且看臺支撐梁的配筋和構造也應當進行適當的加強。在靠近支座的部位由于剪力比較大應減少開孔以減少孔洞對梁的抗剪承載力的削弱。作者的經驗是在普通支撐梁的支座每邊1／6范圍內不開孔，僅在跨中2／3范圍內進行開孔。對于既是看臺梁又是框架梁的梁應當更嚴格的控制開孔，以免對結構體系造成較大的削弱。對于這種梁，作者建議僅在箍筋的非加密區進行開孔。看過一些別的體育場館的設計，有的設計者在看臺梁上開滿了孔洞，有的孔洞甚至開到了支座邊上，作者認為這樣設計是很不合理的，應當和暖風工程師進行商討以避免出現這樣的情況。

3）該工程的設計中第2層看臺梁的下端位于1層框架梁與柱的交接部位，對框架梁的支座部位產生了很大的豎向剪力。為了解決1層梁的抗剪承載力，又不影響結構的外觀，梁的內部設置鋼骨進行抗剪，起到了很好的效果。

4）支座的設計。針對該工程的結構形式的特點，考慮屋架的施工采用滑移的方法，在結構剛度較大的兩端支撐梁上設置了Q70的通長滑軌，以便施工時的滑移安裝。同時，這些滑軌在安裝結束后又將作為支座來支撐上部結構，因此該工程特別設計了支座來滿足該工程的要求。支座設有彈簧，用來協調屋架的豎向變形，以免因豎向變形對屋架支座處的桿件產生彎曲應力。在支座的支撐部位也留有一定的空隙，使得屋架的溫度變形能夠得到一定的釋放，以免在桁架的下弦端部桿件產生過大的溫度應力。支座示意圖，如圖5所示。

5）屋架的設計中考慮1個方向的屋架為整體式，另外1個方向的屋架拆解為桿單元，在現場進行連接將每2榀屋架拼裝成1個單元后進行整體滑移。節點單元的做法，如圖6所示。對于這樣大跨度的空間結構，應當在跨中增設1道滑軌，作為1個支撐點來控制屋架跨中在拼裝和預應力張拉前不產生向下的位移，以保證內力與設計的一致性，從而能保證在拆除支撐后2個方向的桁架能夠達到很好的協同受力。

6 總結與思考

1）目前大跨度結構的跨度尚沒有統一的衡量標準，國家標準《鋼結構設計規范》、《網架結構設計與施工規程》將60m 以上的結構定義為大跨度結構，計算和構造均有特殊規定。對于大跨度鋼結構，結構方案的確定和結構計算模型的選取是結構設計成功與否的關鍵，一般情況下需要作2次分析，一是屋蓋體系鋼結構分析，要注意模擬下部結構支座剛度；二是和下部結構（可能是鋼筋混凝土結構或鋼結構等）整體合模計算分析。

2）因為結構計算中采用了剛節點模型，桿件也承受了一定數量的次生彎矩，尤其是弦桿，影響彎矩大小的因素主要為重力作用及溫度作用。與之相對應，我們對弦桿交叉點處進行局部加強并保證在一定的范圍內桿件能夠有足夠的受彎承載力。

3）盡管是大跨結構，因為處于7度抗震區，豎向地震力對屋架影響可以忽略。隨著屋架面積的增加，水平地震作用對桿件軸力及彎矩的影響從10%～30%逐步增加。在抗震分析時，總體上，運用連帶混凝土結構計算模型的結果要比使用單獨的屋架分析要大。這說明屋架位于高處時，應考慮下部支承構件的慣性效應，將屋蓋結構與下部結構結合在一起，按共同工作分析。

4）將水平支撐加入整體計算是必要的，因為實際的支撐是參與結構共同作用的。僅從構造上或使用抗震計算結果來確定構件斷面及連接是不安全的，尤其對于大跨度結構。

5）計算結果表明以恒載、風荷載及溫度作用為主的荷載組合起控制作用，地震作用及活載的影響相對較小。需要注意的是對于大跨度體型特殊的建筑，半跨活荷載對結構的影響非常大，一定要注意進行活荷載不均勻分布的驗算。

6）在傳統的空間鋼結構體系上采用預應力技術，可以通過改善桿件內力峰值或提高剛度來達到節省鋼材、減少變形的作用。該工程經過施加預應力和非預應力屋蓋的計算比較，采用預應力屋蓋，用鋼量節省12%，總造價降低5%，且屋架的豎向變形得到了較好的控制。

7）普通鋼結構一般只有在超荷載狀態下才發生破壞，在卸載狀態下是不會有問題的。而預應力鋼結構不但在超荷載狀態下會發生破壞，而且在不恰當的卸荷載狀態下和預應力鋼絞線發生破壞時也會發生突發性的破壞，非常危險。因此預應力鋼結構在使用中需要返修屋面或者拆除更換一些構件時必須按照修建時所施加預應力的反次序，先卸除荷載，再卸除一部分預應力。由部分預應力破壞時所造成的危害比較有限，但整體性的預應力破壞所造成的危害是極為嚴重的，由于其特殊性，應當提高預應力鋼結構的可靠度指標。

8）對于大跨度鋼結構，可采用構造釋放和加強剛度2種方法解決溫度應力對結構的不利影響。由于溫度作用對靠近支座部分的桿件影響很大，溫度應力起到控制作用。雖然增加支座約束對抵抗地震力及重力作用是有利的，但是過強的約束不但會在構件中產生較大的溫度應力，且對支座產生很大的剪力，在設計中這是一對矛盾現象。因此在設計中應對不同的支座布置進行優化分析比較，選用實用合理的支座，盡可能做到理論計算模型和實際相符。

9）對于大跨度鋼結構施工階段的驗算是非常必要的，若采用了不恰當的施工方案，會造成受力模型的改變，從根本上影響結構的安全度。

［1］GB 50010—2002，混凝土結構設計規范［S］.

［2］GB 50017—2003，鋼結構設計規范［S］.

［3］JGJ 7—91，網架結構設計與施工規程［S］.