春节返乡结构设计考察——永川体育中心

没设计过体育场。春节期间路过永川体育中心，觉得蛮新鲜。场外转了一圈，做了一次体育场钢结构设计的考察，在此整理记录。

简介

以下摘自永川区人民政府网站：

永川区体育中心位于永川区红河大道539号，于2007年12月建成投入使用。该中心占地面积165亩，建筑高度为34米，建筑面积44000平方米。建有一个能容纳3万人观看的国家级体育赛事的中心体育场和一个能容纳500人观看赛事的室内游泳馆；另建有天然草坪足球场1块，人工草坪足球场1块，风雨门球场6块。

以下摘自百度百科词条“永川体育中心”：

永川体育中心占地面积19.47公顷，工程总投资约1.39亿元，是一座规模较大、功能合理、档次较高、环境优美的大型综合体育场馆，体育中心分为公园前区、体育运动区、公园生态区，建有一个可承接国家级体育赛事的2.5万人中心体育场和一个标准游泳馆，配套6块网球场、6块篮球场、4块门球场及相关设施。

此次考察的行进路线按下图（为后文描述方便，命名为“图0”）中16顺序进行，其中13环绕游泳馆，4为游泳馆和体育场的分界处，5~6环绕体育场。

设计参数辨识

这次考察的对象，是体育场和游泳馆，它们的钢结构屋面形似一条舞动的飘带，是整个体育中心外形上的亮点。
从简介中可以看出：

1. 体育中心建筑高度为34m，为高层建筑；
2. 永川体育中心“体育场”（非“体育馆”）并无异议。《体规》根据室内室外对游泳场（池）/游泳馆进行划分，永川体育中心游泳设施四周并未封闭，但考虑到整个泳池有屋盖覆盖，暂列为“游泳馆”。
   
3. 对于体育馆建筑等级：永川体育中心从2011年开始连续承办国际女足邀请赛（国际A级赛事）（百度百科词条“永川国际女足邀请赛”），可推测其定位至少是“举办全国性和单项国际比赛”，根据《体育建筑设计规范 JGJ31-2003》（以下简称《体规》）1.0.7，为甲级体育建筑，根据1.0.8，主体结构设计使用年限为50~100年，耐火等级≥二级。
   
4. 对于体育场能容纳观众数，两处描述有差异，但这正是结构设计的关键点。目前永川城市人口为73万（《2017年重庆市永川区人民政府工作报告》），按《体规》3.0.3，适合的体育场规模为2~3万座，游泳馆规模为2-3千座。
   
   
5. 1. 3条中体育场座位约数和报道相符。根据《建筑工程抗震设防分类标准 GB50223-2008》（以下简称《设防标》）6.0.3条文说明，“观众座位容量不少于30000人或每个结构区段的座位容量5000人”为人员密集，需确定为乙类建筑。查阅其它新闻报道，推测永川体育中心的“3万人”为约数（新闻报道中为“近3万人”，和2.5万人相符），实际座位数在3万以下，因此以下分析暂不按乙类建筑考虑。按《体规》5.1.1，为中型体育场。
      
6. 2. 3条中的游泳馆座位约数和报道不符。目前未找到其余报道能说明游泳馆座位数，但根据当日现场拍摄照片（在图0的位置3观察，下图黄色高亮四边形区域约20x10=200座），座位数远超过500座，和2-3千座接近。根据《设防标》6.0.3条文说明（上图），“观众座位很多的大型体育馆（含游泳馆）指观众座位容量不少于4500人”，因此游泳馆为丙类建筑。按《体规》7.1.1，为中型游泳馆。
      
7. 永川区抗震设防参数为6度0.05g第一组，由《抗规》表8.1.3及条文说明可知钢结构抗震等级为小于四级，“其‘作用效应调整系数’和‘抗震构造措施’可按非抗震设计执行”。

游泳馆

在图0的位置1仰视，可见：

1. 采用正放四角锥网架。识别：双层，上层（红色）和下层（橙色）均为正放正方形，四根斜杆汇聚到一点。又因上下层正方形大小一致，因此为正方四角锥（否则可能为抽空四角锥）。
   
2. 双向网架尽可能让柱与柱直接相连以使传力直接（上图中蓝、紫色虚线），最直接的受力单元则为垂直飘带方向的柱间连接（图0中的绿色粗实线，上图蓝色虚线）；
3. 为屋面造型需求，网架略有上拱（上图蓝色虚线示意）。若造型为平面，大跨结构施工时也应预留适度上拱。另外，《空间网格结构技术规程 JGJ7-2010》（以下简称《网规》）规定了当有排水找坡需求时的处理办法：改变上弦节点小立柱高度、网架变厚度、网架整体结构找坡。
4. 由于柱位布置受限，角柱并未和边柱布置于一条直线（下图紫色虚线），此时网架并未随角柱发生弯折，仍随大面的正交方向布置。
5. 屋面覆膜固定于钢条上，钢条与网架间通过球节点上安放的立杆进行焊接（下图红框区域放大）。网架杆件间通过螺栓球节点进行连接。
   

在图0的位置2观察：
飘带一角下沉，双向网格逐渐在此处交汇收于一点，并通过平板压力支座与混凝土矮墩相连。矮墩下大上小，其中一个斜面与网架面平行，利于将网架推力直接传递至基础。

在图0的位置4观察：
分缝处可见游泳馆与体育场屋盖采用了不同的结构形式。想说的是：要分缝就分彻底。分缝处横穿的圆管为落水管，从体育场屋面引水至游泳馆最近的混凝土柱处下落。而在主结构上方用于架设屋面的钢条为薄壁型钢，连接刚度小，忽略其对分缝的影响。

体育场

图0的位置4分缝处的另一侧为体育场，形式和游泳馆完全不同。
图0的位置5为体育场区域分缝处，在此处能观察到体育场结构的两种基本构成形式：以单混凝土柱+钢斜杆为竖向构件的悬挑桁架（下图右）；以双混凝土柱+钢斜杆为竖向构件的悬挑桁架（下图左）。再利用布置于内悬挑端部、柱顶、和大悬挑中部的环向桁架将各单榀结构进行连接，形成双向抗震体系，从而构成完整的体育场屋面。下图中：

• 红色为钢筋混凝土柱，从下方混凝土看台升起；
• 绿色为悬挑钢桁架，中部铰接于柱顶，根部铰接于钢斜杆顶；
• 蓝色为钢斜杆，上下均为铰接，下部直接与基础相连。

注：以上及以下在字面上不区分悬挑根部的钢斜杆为受压的钢柱/撑或是受拉的钢拉杆，统一称作“钢斜杆”。

设计要点如下：

1. 对悬挑桁架，上杆受拉而下杆受压，若采用单上杆+双下杆方案可以使杆件截面均匀。但双下杆不便于和柱连接（柱截面小于两杆间距），因此采用了单下杆+双上杆的方案。为何没采用单上杆+单下杆？估计是三角形截面较稳定吧。
   
2. 对悬挑单榀，无论悬挑大小及根柱远近，中柱始终受压，中柱可保持钢筋混凝土柱。
3. 体育场绝大部分区域均布置看台座位，为保持视线不受柱遮挡，中柱需布置于看台区域外围，此时屋面悬挑很大且根部竖向构件距离中柱较近，悬挑根部上翘使得竖向构件受拉，因此采用钢斜杆。
4. 少量无看台的消防通道出入口（平面位置见图0中A、B两处）可将中柱前移，减小悬挑长度的同时也增大了和根柱的距离，此时可考虑采用双混凝土柱。
   
5. 从结构设计上看，设置双混凝土柱的地方似无必要再设置外侧钢斜杆。抑或为保持外观的一致性，是否所有区域都应采用单混凝土柱+钢斜杆方案？可参考的解释为：能加双混凝土柱的消防通道处同时正好是钢屋面的分缝位置，分缝两端通常位移较大，需要加强，做成双混凝土柱+钢斜杆，增加了超静定次数，刚度更大。
6. 由于屋面覆膜且看台开敞，因此风力在屋面内外两侧产生压-吸力的叠加导致吸力增大，这在《荷载规范》中有所体现（下图）。当风力产生的吸力大于悬挑重力时，可能导致桁架上下拉压杆及柱所受内力反号。因此在屋面悬挑侧设置拉索以抵抗可能的风吸力（上上图）。
   
7. 学习一下钢斜杆顶部和底部的单向铰接节点做法。根据加工的便利程度来决定各连接处哪一侧做单板哪一侧做双板。
   
8. 关于结构伸缩缝，钢结构和混凝土结构有不同的要求，可见混凝土限制较严。下图（可点击放大）：左-高层混凝土结构设计规程，右-钢结构设计规范。更多阅读可见此文《结构缝分类和设置 》。
   
   在图0中位置4及5两处可见钢结构分缝（照片见前所示），而混凝土分缝更加常见（未统计各处位置，以后有机会补上平面示意图）。可见分缝处为双柱，双柱顶共同托起一榀悬挑桁架。但双柱顶和桁架如何连接？
   
9. 关于钢斜杆角度：环绕体育场一周，能见到不同倾斜程度的钢斜杆（下图为图0中位置6处），有何因素影响倾斜程度？结合下图手绘示意图尝试解释如下：

• 钢斜杆与混凝土柱共用基础，可利用斜杆拉力减小中柱对基础的压力，减小基础尺寸；
• 当钢屋面外围突出混凝土看台边界不多时（左示意图），拉杆力F1小，拉杆截面尺寸小，同时拉杆力的水平分量H1小，基础抗侧设计容易满足。
• 当钢屋面外围突出混凝土看台边界较多时（右示意图），为满足悬挑要求V2=V1，此时若仍将斜杆底部与柱底相连，则倾斜角度变大，H2>H1且F2>F1，对基础抗侧不利，且可能增加斜拉杆、基础及节点的材料用量和设计难度。
  

两处bug的处理方式

以下两处似乎是设计时的遗憾，然而也能将错就错学到新东西。

• 左：斜杆穿过玻璃挑檐，可见即使有防水处理，密封性也不好。可学到和周边整块玻璃不一样的架设方式。
• 右：近处斜杆穿过消防楼梯边缘，远处斜杆位于楼梯内部。居然这样也能做？！？虽然侧边有障碍，但将梯梁设置于避开障碍物，周边做成翻边遮蔽梯梁，也能满足要求。
  

《网规》学习要点摘录

除前几节所述涉及《网规》的部分内容外，此次学习到的以下内容也属于空间网格结构设计需要掌握的基本点，摘录如下：

1. 不同形式的网架示意图如下（yjk软件自带图片）。更直观的立体图片见《网规》附录A/B。
   
2. 《网规》2.1.2、2.1.7：平面或略微上拱的空间网格结构称为“网架”，主要承受弯曲内力，而对曲面弧度较大的空间网格结构则称为“网壳”，主要承受整体薄膜内力。
3. 《网规》3.1.8：单层网壳必须采用刚接节点。
4. 《网规》1.0.2条文说明：**>60m时为大跨度，30~60m为中跨度，<30m为小跨度。**
5. 《网规》规定了如下要点：网架分类（3.1.23.1.6）；不同平面形状、长宽比和支承情况的适宜选型（3.2.13.2.4）；矢跨比（3.2.5、3.3.13.3.4、3.4.13.4.3）。
6. 矢跨比及厚度经验取值：网架矢跨比1/101/18；网壳矢跨比1/21/9不等，厚度可取宽度的1/201/60不等；立体桁架矢跨比1/121/16；立体拱架矢跨比1/31/6，厚度可取跨度的1/201/30；张弦立体拱架……
7. 《网规》3.5.1：容许挠度及预起拱要求：
   
8. 《网规》4.2.4：可不考虑温度应力的条件：构造允许足够的侧移值、周边独立柱支承且跨度<40m、柱顶水平位移较大。
9. 《网规》4.3：需进行稳定性计算的情况：单层网壳及厚度小于跨度的1/50的双层网壳。初始缺陷分布采用一阶屈曲模态，数值取跨度的1/300。安全系数K根据弹/弹塑性计算机跨度和结构形式的不同可取2~4.2，特定的小跨度网壳可按附录E的允许应力法进行稳定性设计）。
10. 《网规》4.4：需进行抗震验算的情况：8度周边支承的小跨度网架需竖震，其余≥8度的网架需水震+竖震。7度矢跨比≥1/5的网壳需水震，其余≥7度的网壳需水震+竖震。阻尼比取0.020.03（4.4.10），振型至少1015（网架）/25~30（网壳）。
11. 《网规》6.3~6.9：安装方法：高空散装法、分条或分块安装法、滑移法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法、折叠展开式整体提升法。
12. 《网规》5.2~5.8：杆件的连接节点可分为：

• 焊接空心球节点
• 螺栓球节点：连接网架和双层网壳的圆钢管
• 嵌入式毂节点：跨度不大的单层球、柱面网壳
• 铸钢节点：汇交密集、受力复杂且可靠性要求高的关键部位
• 销轴式节点：约束线位移、放松角位移
• 组合结构的节点
• 预应力索节点
• 支座节点：分为压/拉力支座节点、可滑移与转动的弹性支座节点、兼受轴力、弯矩与剪力的刚性支座节点