大跨度懸挑異形屋蓋鋼結構設計分析研究

饒孟樹

（廣東順鐵控股有限公司）

1 設計概況

體育場平面輪廓為閉口橢圓形，短向為205m，長向約220m。從建筑方案構型和結構方向考慮，本結構擬采用場內巨型桁架結構方案，巨型桁架采用三角形立體桁架，桁架高度8m，巨型桁架長跨跨度146m，短跨跨度88m。四個角部位置（場地入口位置）采用菱形立體桁架落地。

體育館屋面輪廓為橢圓形結構，長軸直徑為145m，短軸直徑為110m，屋面面積約12500m2。屋頂最高標高38m，檐口標高28m，與斜坡屋面架空層交接標高約為21.7m～25.7m。

訓練館屋面輪廓為橢圓形結構，長軸半徑為81.3m，短軸半徑為66.5m。屋蓋矢高4.5m，矢跨比約為1/16。支撐屋蓋柱子一共16 根，柱距約為12m；游泳館屋面輪廓為橢圓形結構，長軸半徑為101m，短軸半徑為71m。

2 選型和設計

2.1 體育場屋蓋選型和設計

屋蓋結構采用交叉簡支箱型梁結構，一端支撐與巨型桁架，另一端支撐與看臺頂部V 柱或者尾部V 柱至上，簡支梁最大跨度31.6m 左右。屋蓋結構最大懸挑距離為40.8m（包括巨型桁架范圍），支撐屋蓋柱距約為12m。根據結構力學機理，巨型拱桁架為斜臥式桁架，為平衡該桁架的水平分量和豎直分量，支撐斜柱和看臺梁結構形成一個巨型三角撐提供水平抗側力，以抵消巨型桁架的水平分量。巨型桁架的豎直力通過混凝土屋面自重平衡。該受力體系避免屋蓋結構成為受力不利的懸挑結構，成為安全性較高的簡支結構，提高結構的可靠度以及降低現場施工難度。在建筑效果上可提高觀眾區的凈高，同時巨型桁架內部可集中布置馬道功能和相關設備管線，馬道上梯位置可在巨型桁架柱內解決。計算結果表明該方案變形、振型和用鋼量都適中，結構方案可行。（見圖1～圖4）

2.2 體育館屋蓋選型和設計

圖1 體育場結構選型

圖2 體育場局部結構軸測圖

圖3 體育場第一振型（T1=0.786s，豎向振動）

圖4 體育場D+L 作用下豎向撓度（最大豎向撓度235.5mm）

屋蓋矢高8m，矢跨比約為1/13。支撐屋蓋柱子一共24 根，以等角度（15°）進行劃分，柱距約為16.8m。主選方案：張弦穹頂方案，屋蓋采用環肋型徑向網格，采用24 道徑向索，內圈一道環向索，索撐采用V 形撐桿，增強穩定性。索撐高度12m，矢跨比為1/10。本方案適合桁架馬道和相關設備管線集中布置，同時，內環可根據建筑功能布置相關表演吊點及其它功能需求布置，功能需求集中，適合在有演出功能的體育館。最后實施時可結合斗屏布置優化內圈結構形式。備選方案：采用葵花形網格弦支穹頂體系。一共采用三圈徑向索和環向索，索成環肋型布置；從外圈到內圈索撐高度分別為7.5m、6m和4.5m，屋蓋殼體為葵花型單層網格。本方案馬道布置相對受限，一般布置在相關環索附近，且其寬度不能太大，所受荷載不能過重，適合在無表演功能場館。計算結果表明兩種方案變形、振型和用鋼量都適中且相近，結構方案可行。（見圖5～圖10）

2.3 訓練館和游泳館屋蓋選型和設計

屋頂最高標高18m，檐口標高13.5m，與斜坡屋面架空層交接標高約為7.2m～10m。屋蓋矢高4.5m，矢跨比約為1/16。支撐屋蓋柱子一共16 根，柱距約為12m；訓練館和游泳館屋蓋采用張弦梁結構體系，游泳館中間撐桿高度6m，弦支穹頂高跨比為1/11。其余榀桁架撐桿高度根據標高漸變，平面外另加一道穩定索。（見圖11～圖12）

圖5 體育館結構選型（張弦彎頂方案）

圖6 體育館張弦索撐布置圖

圖7 體育館第一階振型（T2=0.72s）

圖8 體育館第一階振型（T2=0.72s）

圖9 體育館備選方案(弦支穹頂結構)

圖10 體育館備選弦支穹頂方案索撐布置

圖11 訓練館和游泳館結構選型

圖12 游泳館第一振型（T1=0.569s）和豎向撓度（149.4mm）

2.4 節點設計

大跨度屋蓋空間關系復雜，現場定位容易出現偏差。支撐鋼屋蓋的支座可采用糾偏支座為了降低現場安裝誤差，及其它相關索結構復雜節點如圖13 所示。

圖13 相關復雜節點圖參考

3 鋼結構施工方案考慮及對主體結構的影響分析

對于大型體育場館鋼結構而言，鋼結構施工方案、吊裝路線和胎架布置對于主體結構、地下室設計荷載有巨大影響。由于施工單位進場往往都在設計階段完成之后，其屆時提交的施工方案和施工荷載偏滯后、很多預留結構需要通過結構改造才能實現，往往會使整個現場處于極大的被動狀態。在結構設計階段，有意識地設定吊裝路線，對結構設計荷載進行必要預留，能夠避免后期吊裝時因為預留荷載不足進行大規模改造，不僅浪費大量資金，也極大延誤工期。本項目地塊周邊設置工地圍墻，包括場地東南側道路。于地上樓板邊線外側設置臨時施工環路。根據場地情況布置施工道路、吊車行走路線、鋼構拼裝與堆放場地，其中綜合體育場采用履帶吊于場內進行鋼結構吊裝，土建看臺預留吊車進退場道路空間，履帶吊于場內進行組裝及解體，鋼結構支撐胎架設置于主桁架下方。綜合體育館、訓練館、游泳館采用履帶吊于場外進行鋼結構吊裝，鋼結構支撐胎架設置于主梁節點下方。由于本項目體育館和游泳館范圍存在大量地下室，吊車允許路線和現場大堆料場地因盡量避開地下室范圍，僅限散拼場地在該范圍內，并預留好荷載。同時由于鋼構吊裝需要，大斜坡屋面建議通過分階段施工，與鋼構施工進度有序結合。(見圖14～圖17）

4 結論

通過對工程中屋蓋異形大跨度懸挑鋼結構設計研究，形成創新優化實施方案：

⑴巨型桁架落柱位置內移，適當縮小兩向跨度差距，保證均勻受力，提高經濟性；屋面找形盡量形成標準馬鞍形，提高巨型桁架內部受力大回環效率；結合結構方案優化柱網布置。

圖14 鋼結構施工平面布置圖示意

圖15 綜合體育場吊車與胎架布置

圖16 綜合體育館吊車與胎架布置

圖17 訓練館和游泳館吊車與胎架布置示意

⑵屋面找形可盡量降低屋面拱度，以增加拉索角度，提高拉索受力效率，同時結合結構方案和建筑造型優化柱網布置。

⑶本項目大跨度屋蓋空間關系復雜，現場定位容易出現偏差。支撐鋼屋蓋的支座可采用糾偏支座體育館備選弦支穹頂方案索撐布置，降低現場安裝誤差。