国家网球馆钻石体育场防震结构设计

国家网球馆钻石体育场防震结构设计

0愈合屋盖结构自20世纪80年代以来，已在加拿大、美国、日本和欧洲的一些国家和地区修建了有影响力的开放式房屋。近年来,开合屋盖技术在国内工程中也开始得到应用,开合屋盖结构的设计与研究受到关注。开合屋盖通常由活动屋盖、固定屋盖与驱动控制系统构成,与普通的大跨度空间结构相比,其技术复杂性大得多。目前我国自主完成的开合屋盖设计还比较少,尚未制定与开合屋盖结构相关的技术规程。本文结合国家网球馆“钻石球场”结构设计,对开合屋盖设计的主要情况进行介绍。1开合式屋顶改造国家网球馆“钻石球场”(图1)位于北京市朝阳区奥林匹克公园北区场馆群,是继2008年北京奥运会之后兴建的又一大型体育项目,是目前北京地区最大、具有国际先进水平的网球比赛场馆,承办了中国网球公开赛,是以网球比赛、训练为主的多功能体育、文化活动中心场所。赛时看台区总座席数为13598个,拥有48个豪华空中包厢,采用开合式屋顶,开启过程约为8min,是世界上观众容量最大、条件最先进的网球场馆之一。建筑的最大高度约为46m,总建筑面积约为51199m2。主体建筑平面呈圆形,局部地下1层,地上共8层,主要采用钢筋混凝土框架结构体系。沿径向布置48榀框架,外立面布置16组V形柱,各榀环向框架、径向框架与立面V形柱共同构成抗侧力体系。大跨度屋盖平面呈圆形,固定屋盖最大直径为140m,中间带有可开启的活动屋盖,在场地中央设置边长为70m×60m的矩形洞口。固定屋盖采用网格结构,在活动屋盖可移动范围内为双层网架,便于支承活动屋盖的轨道;周边为三层网壳,使结构刚度有效增加,同时实现对活动屋盖遮挡的要求,很好地满足了建筑立面效果。固定屋盖支承在内侧16组V形柱顶部环梁之上,并在看台结构的4个角部各有一根框架柱向上延伸,作为固定屋盖的中间支承点,使结构的跨度显著减小、屋盖刚度增大、结构变形量减小,有利于活动屋盖平稳运行、降低用钢量。2结构安全和自然条件2.1结构体系设计结构设计使用年限为50年,设计基准期为50年,结构设计安全等级为一级,抗震设防烈度为8度,建筑抗震设防分类为重点设防类(乙类),地基基础设计等级为甲级。2.2建设场地的水文条件(1)地质地貌与地层岩性特征本场区位于永定河洪冲积扇的中部,地貌单元属于洪冲积扇和冲积平原的过渡地带,80m深度范围内地层岩性上部以粉质黏土与黏质粉土层为主,中部有一层4~6m厚的卵石层,下部以厚层粉质黏土与细、中砂层为主,底部以卵石层结束,场地土层自上而下的岩性如表1所示。(2)水文条件根据附近场地的水文地质资料,该场地近3~5年期间最高水位埋深在地表下10.0m左右,历年最高水位标高(1959年记录)接近自然地面。抗浮设计水位42.0m,拟建场区地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性,对钢结构具有弱腐蚀性。拟建场地标准冻结深度0.8m。工程所处地质环境属稳定场地,在拟建场地所处区域范围内无影响场地稳定性的不良地质作用。(3)拟建场地建筑的抗震设计条件根据《北京地区地震烈度区划》和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)(简称抗震规范),拟建场地抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第一组,设计基本加速度值为0.20g。根据勘察中钻孔实测剪切波速试验资料,场地20m深度范围内土层的等效剪切波速值vse为229m/s,根据地方标准《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ01-501—92)附录Q,本场区第四系覆盖层厚度约为100m,建筑场地类别为Ⅲ类。3设计的负荷和功能3.1屋顶盖钢结构平面内自适应(1)在设计中根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版)(简称荷载规范)确定主体结构的楼面、屋面及看台的活荷载,重大设备按实际荷重考虑。(2)屋盖钢结构自重由程序自动计算生成,为了考虑铸钢节点、加劲肋等引起自重的增加,钢材容重取1.1倍的放大系数。固定屋盖考虑金属屋面、檩条、屋面天沟及雨水管道、照明、音响、标识、电缆桥架、台车、轨道等行走驱动装置,恒载取1.0kN/m2。活动屋盖考虑阳光板屋面、声学吊顶、檩条、电缆桥架,恒荷载取0.70kN/m2。(3)固定屋盖与活动屋盖的活荷载均取为0.5kN/m2。3.2年重现期s0基本雪压:50年重现期S0=0.40kN/m2,100年重现期S0=0.45kN/m2;雪荷载准永久值系数分区:Ⅱ;雪荷载与积水荷载、活荷载不同时发生。3.3地面粗糙度类别、风洞试验根据荷载规范,北京市重现期50年的基本风压为0.45kN/m2,重现期100年的基本风压为0.50kN/m2,地面粗糙度类别为B类,屋盖结构体型系数和风振系数通过风洞试验确定。风洞试验在长安大学CA-01风洞进行,通过尖塔和立方体粗糙元的组合,模拟了1/200的B类风场(地面粗糙度指数α=0.16)。试验模型为刚性模型,采用有机玻璃制作,用同步测压技术进行测试,得到国家网球馆可开启屋盖的平均与脉动风荷载特性。风荷载计算分别考虑活动屋盖的开启与闭合状态。3.4混凝土结构的等效最低温度设计确定(1)钢结构的极端温度、合拢温度与最大正、负温差根据历年气象资料中的夏季极端最高气温、冬季极端最低气温与太阳辐射引起的温升,结合钢结构的合拢温度,确定使用期间钢结构的最高温度与最低温度。钢结构合拢温度为(15±5)℃,最大正温差为36.6℃(考虑太阳辐射温度升高5℃),最大负温差为-41.2℃。固定屋盖球形铰支座安装温度需严格控制在设计规定的合拢温度范围内,避免出现过大的正温差或负温差。(2)混凝土结构的极端温度、合拢温度与等效最大温差根据北京标准气象年历年气象资料统计得到的周平均最高温度、周平均最低温度,确定使用期间混凝土结构的最高温度与最低温度。后浇带混凝土入模温度为5~15℃,混凝土结构最大正温差为11.8℃,最大负温差为-19.2℃。混凝土收缩、温度应力计算采用的等效最大温差如下:等效最大负温差=混凝土收缩当量温差×徐变系数1+使用阶段负温差×徐变系数2,本工程取值-19.18℃;最大正温差=使用阶段正温差,为11.8℃。3.5结构与构件强度根据北京地震局2009年4月17日提供的《建设项目抗震设防要求(标准)审查意见书》(京震抗审0053号),本工程场地设计地震动参数如表2所示。表中设计基准期50年超越概率63%的地震动参数与抗震规范相同。根据本工程抗震超限审查专家的意见,中震与大震均采用了抗震规范的地震动参数。根据《建筑工程抗震性态设计通则》(CECS160:2004)的要求,结构部位与构件重要性,采用了不同的抗震性能指标,如表3所示。根据上述抗震性能指标,混凝土框架梁采用多遇地震作用计算结果进行配筋,立面V形柱及主体结构框架柱采用中震不屈服计算结果进行配筋。3.6活动屋盖开启、全闭及半开荷载取值国家网球馆开合屋盖为常闭状态,此状态下屋盖结构能够承受各种荷载与作用的最大值,并考虑活动屋盖全开、全闭及半开3种状态荷载取值存在的差异,在开启状态时荷载取值根据具体情况进行适当地折减。在国家网球馆结构设计中分别采用非抗震工况荷载组合与抗震工况荷载组合进行计算分析。4结构体系4.1无砂混凝土桩设计本工程结构体系复杂,柱底竖向荷载差异很大。外立面的16组V形柱受力很大,尤其是与支承屋盖网架的4根直柱相连时,荷载非常集中。而活动屋盖对不均匀沉降又非常敏感,因此必须对结构的差异沉降量进行严格控制。主体结构采用混凝土钻孔灌注桩基础,桩径为ɸ800~ɸ1000,以(4)卵石层作为持力层,由于桩端持力层埋深较浅,土层厚度较小,最薄处仅有4m,桩端进入持力层为1.0倍桩径,严格控制不得超钻。在荷载非常集中的柱底考虑采用后注浆工艺,以提高桩承载力、减小沉降量。运用变刚度调平的设计理念,对于荷载较小的部位,采用较小的桩径,通过调整桩距和承台刚度等措施减小基础沉降差异。工程主体结构由看台结构与裙房组成,裙房地上1层,局部带地下室。裙房采用柱下独立基础、柱下联合基础与墙下条形基础,选择(2)1黏质粉土和砂质粉土、(2)2粉质黏土层或(3)粉质黏土作为天然地基持力层,以期达到最佳的技术经济效果。根据地勘报告给出的结构抗浮设计水位,局部地下室需要采取抗浮措施,故在地下室中部局部设置抗拔桩。由于该场地土层压缩模量较低,采用不同基础可能会产生差异沉降,故采取设置后浇带的方式,减小沉降差异与混凝土温度收缩变形的影响。后浇带在主体结构完成2个月后,选择气温较低的时机进行浇灌。内圈仅为单层看台,荷载较小,采用直径600mm的钻孔灌注桩;柱距较密,柱底力较小,采用一柱一桩方案,桩型为直径800mm的钻孔灌注桩;柱底力较大,为直径1000mm的钻孔灌注桩,并采用后注浆工艺提高桩承载力、减小沉降量。主体结构立面(轴)的16组V形柱受力非常集中,特别是带有支承屋盖直柱的部位,竖向力超过40000kN,而V形柱之间的混凝土柱受力较小。在?轴采用环形大承台,增强结构的整体性,分散柱底力,降低附加压力,达到提高基础承载力、减少沉降差异的目的。由于主体结构基础埋深浅,只有局部地下室,为防止桩基础在水平地震作用下发生破坏,设计时除需满足小震安全性的同时,还要达到中震不屈服的性能指标。国家网球馆基础平面布置如图2所示。4.2v形柱施工技术网球场看台采用现浇钢筋混凝土结构,地上8层,斜柱与看台梁组成径向平面框架,由环向梁和外立面的V形柱将各榀径向框架联系起来协同工作。位于2层以上的立面V形柱向外倾斜达32°,结构受力非常复杂。立面16组V形柱均为内外两层,侧向刚度很大,承担了绝大部分水平地震力。在V形柱内设置钢骨,形成型钢混凝土构件,以保证构件具有足够的抗拉与抗剪强度,同时满足建筑效果对构件截面尺寸的限值要求。屋盖结构支承在16组V形内柱顶部的环梁之上。在看台结构45°,135°,225°,315°方向将径向框架内斜柱改为混凝土直柱,作为固定屋盖的中间支承点,有效增强了屋盖刚度,减小结构变形量与用钢量,有利于活动屋盖平稳运行。框架抗震等级为一级,V形柱抗震等级为特一级。为了避免看台结构设置结构缝对开合屋盖的不利影响,主体结构不设防震缝与温度缝。4.3网球馆活动屋盖设计方案固定屋盖采用网格结构,在活动屋盖轨道范围内为双层平面网格结构,结构高度为3.6m;活动屋盖运行范围以外为三层网格结构,上弦层为球面,距中弦层1.4~6.6m,有效增大屋盖结构刚度,同时满足建筑立面对活动屋盖遮挡的要求。在进行屋盖结构网格布置时,充分考虑其受力特点,对固定屋盖开口周边、尤其是轨道桁架部位进行了加强。固定屋盖支承在下部16组V形柱顶的环梁之上,为理想铰支座。结构布置如图3所示。由于固定屋盖周边的外轮廓为圆形,与活动屋盖相应的开口范围为矩形,在45°与135°方向设置了4组内部V形支承点,因此,固定屋盖周边的16个支座受力分布并不均匀,其中与45°和135°方向中间支座相邻的4个支座在重力荷载作用下受拉。为了避免支座在恒荷载作用下出现上拔力,要求在结构卸载以及恒荷载施加完毕后再焊接定位该支座,并在分析计算时进行了相应的施工模拟。国家网球馆活动屋盖采用双层拱形结构和聚碳酸脂板半透光轻型围护结构,通过轨道与台车放置于固定屋盖中弦层之上。活动屋盖由4个单元构成,上层2个单元宽16m、跨度74.6m,下层2个单元宽16m、跨度71m,使其在圆形平面内达到较大的开启率。固定屋盖与活动屋盖的相对关系见图4。固定屋盖的杆件均为圆钢管,采用双层金属保温屋面。固定屋盖节点采用圆钢管相贯焊接节点与焊接球节点相结合的方式,关键受力部位考虑铸钢节点。构件在工厂加工制作,现场地面拼装,分段吊装,缩短现场施工时间。屋盖钢结构构件应力比的控制指标:非抗震及小震时弦杆为0.85,腹杆为0.90,支座撑杆为0.7;中震时弦杆与腹杆不屈服。压杆长细比不大于120,拉杆不大于150。固定屋盖主要构件截面尺寸如表4所示,材质均为Q345C。5主要分析的结果5.1屋顶结构计算方法考虑到国家网球馆结构形式的复杂性,在设计中采用了多个计算模型与相应的结构分析软件进行计算,主要采用了整体计算模型与局部计算模型。整体计算模型包括下部混凝土结构与屋盖结构,局部计算模型为屋盖结构,其中屋盖结构由固定屋盖与活动屋盖构成。在屋盖结构计算中,分别考虑了带有活动屋盖的计算模型与将活动屋盖自重与附加荷载等效为质量与荷载两种情况。其中,整体模型作为本工程的基本分析模型,分别考虑活动屋盖全开、全闭及半开的情况。由此可见,开合屋盖结构的计算分析工作量与常规大跨度结构相比大大增加。分别用PMSAP(2008年版)与SAP2000V12(中文版)进行整体模型的计算分析。小震与中震采用振型分解反应谱法,大震采用时程分析法。采用SAP2000与空间网格结构分析设计软件MSTCAD进行钢结构杆件截面初步优化与焊接球节点设计。采用通用有限元分析软件ANSYSV10.0进行结构屈曲分析与节点应力计算。5.2活动屋盖对动力特性的影响采用PMSAP软件计算得到整体计算模型(下部混凝土结构+固定屋盖+活动屋盖)的前20阶自振周期与振型特性如表5所示。当取前130阶振型时,X方向的有效质量系数为95.2%,Y方向的有效质量系数为94.6%,均能满足规范大于90%的要求。由于下部混凝土结构的16组V形柱的侧向刚度很大,直至第16阶振型才首次出现扭转振型,Tt/T1=0.4436/0.7381=0.601<0.85,满足抗震设计规范的要求。活动屋盖对结构动力特性有显著影响。由于活动屋盖的质量与刚度均较小,前若干阶振型均以活动屋盖局部振动为主。整体计算模型的前4阶振型如图5所示。5.3混凝土结构水平方向多遇地震作用下的位移混凝土结构在风荷载作用下的楼层位移与层间位移角如表6所示,由表可知,下部结构在风荷载作用下的楼层位移与层间位移角均很小。下部结构在X向多遇地震作用下的位移计算结果如表7所示,由表可知,混凝土结构水平方向多遇地震作用下的层间位移及最大层间位移与平均层间位移之比均满足规范要求。采用PMSAP计算得到的混凝土结构在水平地震作用下的基底剪力与剪重比如表8所示。计算模型结构重力荷载代表值G0=975422kN,多遇地震作用下剪重比满足规范不小于0.032的要求。5.4水平x方向上位移固定屋盖在各工况下的竖向变形如表9所示。在活动屋盖闭合状态时,固定屋盖跨中竖向最大总位移为243.8mm,水平X方向最大总位移为45.2mm,水平Y方向最大总位移为78.6mm。在非抗震组合和多遇地震组合作用下固定屋盖杆件的最大应力比均满足弦杆不大于0.85、腹杆不大于0.90、支座斜杆不大于0.7的要求,在中震作用组合工况下,固定屋盖杆件的应力比如图6所示,均满足中震不屈服的要求。6稀有地震影响下的时程分析6.1结构体系的地震响应特性屋盖结构在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析采用SAP2000V12(中文版)进行计算,腹杆的塑性铰采用P铰、弦杆的塑性铰采用PMM铰。分别采用M2波、Hollister波和人工波共3条地震波,地面水平加速度的最大值为400cm/s2,计算时均采用三向地震输入,峰值加速度之比为1∶0.85∶0.65。在Y方向为主的Hollister波作用下,固定屋盖下弦跨中部位的位移时程曲线如图7所示。各条地震波作用下固定屋盖支座的最大总反力与剪(反)重比见表10,剪重比为固定屋盖基底总剪力与固定屋盖和活动屋盖的重力荷载代表值的比值。从表可以看出,在罕遇地震作用下,固定屋盖支座X方向最大剪重比达26.4%,Y方向最大剪重比达19.3%,Z方向反重比相对较小,最大反重比仅为9.9%。结构动力弹塑性分析结果表明,在罕遇地震作用下,结构位移小于其抗震设防性能目标规定的位移限值,塑性铰主要分布在腹杆上,且均处于LS阶段,弦杆未出现塑性铰,结构具有良好的抗震性能。对于结构中出现塑性铰的位置,在设计中根据情况予以加强。6.2地震反应中的反重比分别对屋盖结构进行在三个设防水准竖向地震作用下的时程响应分析,时程曲线地震加速度的最大值分别为70,205,400cm/s2。地震波采用Hollister波、M2波和人工波,屋盖结构在竖向地震作用下的总反力与反重比如表11所示。在小震、中震与大震作用下的最大反重比分别为8.8%,19.6%,23.37%。罕遇竖向地震作用下,下弦跨中节点输入与输出绝对加速度时程曲线如图8所示。屋盖结构在竖向地震作用下仅在腹杆上出现很少塑性铰,弦杆未出现塑性铰,表明结构大震作用下具有良好的抗震性能。对于结构中出现塑性铰的位置,在设计中根据情况予以适当加强。7活动屋盖弹塑性屈曲分析在进行固定屋盖的屈曲模态分析时,考虑了结构初始缺陷的影响,取跨度的1/300为缺陷最大值,分别考虑了恒载(工况1)、恒载+风载(工况2)、恒载+全跨雪荷载(工况3)、恒载+半跨雪荷载(工况4)4种工况。在进行固定屋盖的屈曲模态分析时,采用带有活动屋盖的整体模型,计算分析采用有限元分析软件ANSYS10.0进行。在活动屋盖全闭与全开状态时,固定屋盖弹性屈曲因子如表12所示。从表中可以看出,在对称荷载工况下,结构的屈曲因子较大,在非对称荷载作用下结构的屈曲因子较小。在活动屋盖全开状态时,固定屋盖的屈曲特征值比活动屋盖全闭状态有所提高。活动屋盖打开以后,雪荷载作用面积减小,故其稳定性有显著提高。在各种工况下,固定屋盖均能满足《空间网格构技术规程》(JGJ7—2010)中屈曲因子不小于4.2的规定。在工况2作用下,固定屋盖的屈曲模态如图9所示。由于固定屋盖在角部比较薄弱,容易发生局部屈曲,故需要进行加强。在考虑材料非线性、几何非线性、结构初始缺陷的基础上,仅对活动屋盖闭合状态下的固定屋盖进行了弹塑性稳定分析。固定屋盖在工况1~4下的弹塑性屈曲因子分别为2.66,3.39,3.19,2.68。由表12可知,在各种工况下,固定屋盖均能满足《空间网格构技术规程》(JGJ7—2010)弹塑性屈曲因子不小于2.0的规定。8截面尺寸大时行钢无杆件固定在进行网壳结构设计时,一般要求在空心球上的相邻杆件间留有一定焊接间隙。对于非标准网格,当杆件数量较多、杆件之间的夹角很小时,若仍遵循上述原则容易导致焊接球直径过大,对结构受力性能、节点加工制作、建筑外观均会造成不利影响。在国家网球馆设计中,当节点杆件数量较多时,为了减小空心球直径,在有限元计算分析的基础上允许部分杆件间搭接。此时所有交汇杆件的轴线均应通过球的中心线,两个相交杆件中,截面积较大的杆件全截面焊接在球体之上,另一杆件可焊接在被搭接杆与空心球上,但必须保证有3/4的截面直接焊在球体上。多杆相交搭接空心球节点如图10(a)所示。当杆件截面尺寸较大时,采用钢管相贯焊接节点。为了增强节点的强度与刚度,在节点域弦杆内部设置加劲肋。固定屋盖中弦层轨道桁架相贯焊接节点如图10(b)所示。固定屋盖通过20组V形支撑下的球形支座与混凝土结构柱顶相连,如图11所示。V形支撑杆件截面尺寸较大,在顶部采用半球形节点。对于16组外圈V形支撑,杆端半球采用焊接节点;4组直柱顶部V形支撑,杆端半球采用铸钢节点。固定屋盖V形支撑下部4杆交汇处采用铸钢节点,通过焊缝与球形支座相连。球形支座