□ 刊發(fā)于《中外建筑》
2005年第3期
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賀龍體育場空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計與研究
楊曉
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Design of rooftop and study structure on Helong staclium sqace steel
楊曉
Yang Xiao
摘 要：本文探討了空間鋼管桁架的設(shè)計，直接相貫焊接空間鋼管節(jié)點(diǎn)的計算分析等問題。對體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和經(jīng)濟(jì)性控制提出了建議，提供了可供相關(guān)體育場設(shè)計作為參照依據(jù)的實用數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：體育場;空間鋼管桁架;直接相貫焊接鋼管節(jié)點(diǎn)
Abstract：This article sudies and submits a report consisting of calcu－tion and analysis of strucure and multiplanar CHS joints and the de－sign of multiplanar steel tubular truss.It raises a proposal about the fea－sibility design means of gym and of multiplanar CHS points, and pro－vides practical data which can be utilized as refered data in the later design of stadium interrelated.
Key words：gymnasium,multiplanar steel tybylar struss,multiplanar CHS joints
中圖分類號：TU231
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1008-0422(2005)03-0042-03
1、概況
體育場作為建筑設(shè)計中的一個類型建筑，具有極其獨(dú)特的功能需要和建筑審美取向，往往是所處地區(qū)的標(biāo)志性建筑或中心建筑。隨著新材料、新技術(shù)和對結(jié)構(gòu)形式研究的發(fā)展不斷更新變化，空間結(jié)構(gòu)在體育館屋蓋和體育場看臺挑蓬中的應(yīng)用越來越多。
賀龍體育場是全國第五屆城市運(yùn)動會的主場、湖南省重點(diǎn)工程，處于市中心，是新世紀(jì)文化中心的核心建筑，又是長沙新的標(biāo)志性建筑。該建筑造型寓意芙蓉花，優(yōu)雅獨(dú)特，目前國內(nèi)尚無類似結(jié)構(gòu)。該工程總建筑面積約13萬，頂蓋面積4.5萬，能同時容納6萬人。空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計是整個工程項目中的重點(diǎn)。
2 鋼結(jié)構(gòu)頂蓋的方案比較
2.1懸吊結(jié)構(gòu)：在體育場周邊設(shè)置四個約70m高的鋼塔，由徑向和環(huán)向空間鋼管桁架組成的單一整體屋蓋，后端以混凝土柱做支座，前端通過箱形內(nèi)環(huán)梁用鋼索斜拉于鋼塔上。該方案對場地要求高，影響看臺布置，溫度變形處理困難，鋼索施工難度大。
2.2空間網(wǎng)架：該方案是較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，工藝成熟質(zhì)量穩(wěn)定。其缺點(diǎn)在于桿件多、節(jié)點(diǎn)大、空間關(guān)系復(fù)雜，與建筑設(shè)計的十四片芙蓉花瓣造型的簡潔大方不協(xié)調(diào)；由柱點(diǎn)支撐的板式結(jié)構(gòu)作長懸臂其受力不如桁架結(jié)構(gòu)直接明確；現(xiàn)場焊縫多，拼裝復(fù)雜，施工搭架工作量大；且經(jīng)濟(jì)性與桁架方案相比也沒有較大優(yōu)勢。
2.3空間桁架方案：桁架結(jié)構(gòu)作為懸臂構(gòu)件結(jié)構(gòu)傳力路徑明確，受力方式合理；空間桿件關(guān)系簡單，主桁架間用次桁架連接，沒有很多多余桿件，比較能符合建筑美觀、簡潔、大方、新穎的設(shè)計觀念；施工采用工廠制作，單榀吊裝，施工效率高，工期緊湊。
3 桁架的設(shè)計
3.1桁架整體布置
桁架向場內(nèi)懸挑平均35m。在設(shè)計中經(jīng)過方案比較，決定采用空間鋼管桁架。根據(jù)下部柱間距的要求和檁條的跨度及其經(jīng)濟(jì)性，主桁架榀間中心距定為兩個柱跨為16m，這樣可以使主桁架榀數(shù)較少，主次桁架的受荷面積合理，桁架高度較��；主桁架的寬度為3.5m，榀間凈距為12.5m（即檁條跨度）。每四榀主桁架組成一片屋蓋�？偣�12片單獨(dú)屋蓋構(gòu)成體育場的完整頂蓋。
設(shè)計在主桁架間設(shè)置四榀次桁架作為橫向連接，次桁架分別位于主桁架前后兩端，前支座和斜撐前兩個節(jié)間。主桁架與次桁架形成了四縱四橫的空間結(jié)構(gòu)，有效承受各種荷載，協(xié)調(diào)桁架間變形，滿足雙向的穩(wěn)定。計算結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)布置方案很經(jīng)濟(jì)，受力合理。
單片屋蓋徑向邊緣為曲線平面桁架。屋蓋間只有檁條和屋面板的活動連接，在結(jié)構(gòu)上是完全脫開的，這種布置方式，目前國內(nèi)是首次。完全脫開的單片屋蓋徹底避免了在以往頂蓋設(shè)計中的溫度應(yīng)力問題，省卻了大量的設(shè)計構(gòu)造措施和施工保證措施，加快了工期，節(jié)省了造價。因各片屋蓋間可以自由變形，不需要在場內(nèi)端設(shè)置大的連接梁或桁架以協(xié)調(diào)變形。
屋蓋整體布置如圖:
3.2 桁架的形式
所有桁架均采用圓鋼管，較之于型鋼構(gòu)件，鋼管桁架有以下優(yōu)點(diǎn)：取得建筑美學(xué)上很好的效果；較大的截面慣性半徑可提供非常優(yōu)良的柱特性并減輕結(jié)構(gòu)重量，從而進(jìn)一步減少運(yùn)輸與安裝費(fèi)用；鋼管截面的表面積僅為相類似的工字形截面的表面積三分之二弱，這樣會減少涂漆與防火保護(hù)的費(fèi)用；閉口截面的抗扭性能較開口截面要高得多；管結(jié)構(gòu)較容易除塵，且沒有突緣、連接部位及其它容易積聚灰塵的地方；體育場頂蓋是一個風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，管結(jié)構(gòu)所具有的光滑表面比用其它型鋼制造的類似結(jié)構(gòu)所引起的風(fēng)荷載要少得多。
主桁架的側(cè)立面形狀的確定主要遵循以下原則：
根據(jù)建筑屋面形狀的要求，盡量減小檁托的高度(可以用檁條和屋面板的蒙皮作用加大屋蓋的側(cè)向剛度，增強(qiáng)整體性，若檁托高度很大，則這些有利作用將大大減弱)；盡量與桁架的彎矩包絡(luò)圖吻合，使用變截面，以節(jié)省用鋼；使鋼管工廠下料加工方便，施工準(zhǔn)確，上下弦桿的彎曲均為圓弧，曲線方程簡單統(tǒng)一，為了使加工更便捷，所有主桁架的下弦的曲率和長度完全一致，即為同一制作原件，大大地減小了制作難度和周期；考慮觀眾席往上對桁架的觀感，使桁架下弦和前撐桿完全一致。
次桁架的截面選擇沒有按國內(nèi)一般工程經(jīng)驗使用相同的不變的截面，而是根據(jù)次桁架與主桁架連接處節(jié)間的位置，以此節(jié)間的形狀作為次桁架的截面形狀。
這樣，次桁架完全與主桁架連接處等高，次桁架上下弦桿分別與主桁架上下弦桿直接相貫焊連接，保持了節(jié)點(diǎn)連接的一致性，結(jié)構(gòu)很有規(guī)律，整體性很好。
次桁架的側(cè)立面形狀為上下弦等高，依據(jù)屋面環(huán)向起拱的曲線作為上下弦桿的圓弧曲線，以支承構(gòu)成雙曲面屋面的檁條。
3.3 桁架的分析計算
設(shè)計中采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計算。SAP2000是由美國加州伯克利CSI公司開發(fā)的大型通用結(jié)構(gòu)分析程序，對此類空間復(fù)雜桿系結(jié)構(gòu)可以做精確的模擬和計算分析。
4 節(jié)點(diǎn)計算與設(shè)計
4.1 基本概況
鋼管間的連接方式有很多種，目前常使用的有焊接球、螺栓球、節(jié)點(diǎn)板，特制套管節(jié)點(diǎn)等各種各樣的節(jié)點(diǎn)連接方式，這些節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造復(fù)雜；加工費(fèi)時、費(fèi)料；在使用中的除銹和再涂裝維護(hù)中困難；作為表現(xiàn)結(jié)構(gòu)美的體育場頂蓋，這些節(jié)點(diǎn)建筑觀感很差。
近幾年，在國內(nèi)一些大型空間鋼管結(jié)構(gòu)工程采用了直接相貫焊接節(jié)點(diǎn)，取得一定的工程經(jīng)驗。國外從上世紀(jì)五十年代就開始鋼管節(jié)點(diǎn)的試驗，大量的鋼管連接特性與設(shè)計的研究工作進(jìn)行于70年代，大部分研究工作與CIDECT (國際鋼管結(jié)構(gòu)協(xié)會)相合作�；谠跉W洲所進(jìn)行的大量連接試驗，在1981年，Packer與Haleem在加拿大發(fā)表了一套鋼管焊接桁架連接的極限強(qiáng)度計算公式，隨后國際焊接協(xié)會(IIW)成立了一個技術(shù)委員會(分委員會XUE)負(fù)責(zé)分析鋼管連接方面的研究情況。在1981年這個分委員會發(fā)表了一套新的極限狀態(tài)設(shè)計方法，并于1982年對這些方法作了修正。這些方法被認(rèn)為是最合理的HSS連接設(shè)計方法，因為這些方法是基于一套所觀察到的K、N、T、Y與X型接頭的失效模式，并包含有大量的理論與經(jīng)驗修正。80年代對鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計有了較深的認(rèn)識，并有了一些有關(guān)HSS設(shè)計的正規(guī)出版物，如“CIDECT BOOK”(CIDECT 1984)以及有關(guān)于焊接接頭靜力設(shè)計的CIDECT專題論文No.6 (Gidding 與Wardenier 1986)。IIW于1985年總結(jié)了當(dāng)時有關(guān)焊接鋼管連接的疲勞設(shè)計，采用了熱點(diǎn)應(yīng)力法而不是根據(jù)焊縫特點(diǎn)分類的方法，之后又對其靜載焊接鋼管連接設(shè)計方法進(jìn)行了更新，出版了這一設(shè)計方法的第二版(IIW 1989)。這一新的設(shè)計方法得到了國際上的廣泛認(rèn)可，被許多國際組織采用。如歐洲規(guī)范Eurocode 3. Aws D1.1 (Aws 1992, 美國最重要的有關(guān)鋼管連接的設(shè)計規(guī)范)、CIDECT的鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)等。其它一些重要的相關(guān)專題文最近也發(fā)表于德國與日本。
鋼管直接相貫焊接節(jié)點(diǎn)具有桿件不多，傳力路線明確，構(gòu)造簡單，建筑效果美觀等優(yōu)點(diǎn)，在實際工程應(yīng)用中不僅節(jié)省鋼材和焊接工作量，而且更易于維護(hù)保養(yǎng)。盡管目前國內(nèi)在這方面的研究很少，至今在我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中沒有空間鋼管直接相貫焊接節(jié)點(diǎn)的計算公式，國內(nèi)工程運(yùn)用也不多。但國際上對此類連接節(jié)點(diǎn)已有較長歷史且有較成熟可用的計算設(shè)計方法并已大量運(yùn)用于工程：如加拿大多倫多sky Dome的屋頂結(jié)構(gòu)，英國倫敦的千禧年穹頂，澳大利亞悉尼奧運(yùn)主會場。因此我們決定在賀龍體育場屋蓋鋼桁架設(shè)計中全部采用直接相貫焊接節(jié)點(diǎn)。考慮到目前國內(nèi)對此類節(jié)點(diǎn)的研究和使用均不充分，除了參照國外計算公式外，還對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了多個足尺寸模型的試驗和有限元分析，以對設(shè)計計算進(jìn)行補(bǔ)充和校核。
4.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計分析：
鋼管直接相貫焊接節(jié)點(diǎn)受力之后鋼管匯交處應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，個別應(yīng)力點(diǎn)已進(jìn)入屈服狀態(tài)但整個節(jié)點(diǎn)并不出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度和剛度退化，在繼續(xù)承受相當(dāng)大的荷載后塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大到節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限破壞狀態(tài)，此時的極限荷載可達(dá)到2.5~8倍的初始屈服荷載。CIDECT及英國、日本等都在研究的基礎(chǔ)上建立了鋼管節(jié)點(diǎn)的計算公式，我國也在參照了別國公式的基礎(chǔ)上制定了我國公式。
4.2.1鋼管構(gòu)造設(shè)計施工指針，同解說(日本建筑學(xué)會1990)
P1a=fα·fγ·fθ·fn·T 2·F'
fα=1.17+6.6β
容許承載力：fγ=1+γ0.2
fθ=
fθ=1+0.3n－0.3n2
β=，γ=，g’=，30°≤θ1，θ2≤90°
最大強(qiáng)度：P=2.14P1α
4.2.2英國1986規(guī)范：(1990規(guī)范同歐洲規(guī)范，同CIDECT規(guī)范)
N1=Pya·t02(1.8+10.2 )··f (γ’, g’)·f·(n’)
γ=，g’=
n’=
n’≥0，f(n’)=1.0
n’≤0，f(n’)=1.0+0.3n’－0.3n’2
f(γ,g’)=(γ)0.2 1+
4.2.3 CIDECT (國際管結(jié)構(gòu)協(xié)會)
N1*=(1.8+10.2 )·f(γ, g’)·f (n’)
n’=
n’≥0，f(n’)=1.0
n’≤0，f(n’)=1.0+0.3n’－0.3n’2
f(r, g’)=(γ)0.2 1+
g’=，β=，γ=
4.2.4 我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GBJ17-88)
NCpj=()0.2 ΨnΨdΨαt2f
Ψα=1+ 1-(1－0.77β)
σ≥0，Ψn=1.0
σ≤0，Ψn=1.0+0.3 －0.3()2
β=，與管外徑與主管外徑比。
在設(shè)計中挑選了很多工程使用的節(jié)點(diǎn)用各國公式進(jìn)了拉管和壓管的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核計算。
表4-1列出了部分節(jié)點(diǎn)的計算結(jié)果，從比較數(shù)值看，計采用的節(jié)點(diǎn)設(shè)計是合理的。
5 結(jié)論
賀龍體育場的全部設(shè)計完成于2001年12月底，于2003年竣工，已投入使用，主桁架主要采用上弦桿為Φ299×20和Φ299×16無縫鋼管，腹桿采用Φ159×6和Φ180×12的無縫鋼管。次桁架主要用到Φ159×6和Φ140×6無縫鋼管。工程總共用無縫鋼管3188.176T，屋面板及附件45717m2，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量為69.73kg/m2作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，從用鋼量上看，賀龍體育場工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常經(jīng)濟(jì)的。結(jié)構(gòu)造型，構(gòu)件尺寸確定，節(jié)點(diǎn)設(shè)計均比較成功。
通過對賀龍體育場工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究與總結(jié)，以及在風(fēng)洞試驗、節(jié)點(diǎn)試驗的基礎(chǔ)上對體育頂篷風(fēng)荷載反應(yīng)和直接相貫焊接圓鋼管節(jié)點(diǎn)的承載能力作了分析與研究。結(jié)論如下：
(1)體育場工程設(shè)計合理與否，能取得較好的經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，方案性的比較是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，選擇一個最接近合理經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案遠(yuǎn)勝于在一個不太合理的結(jié)構(gòu)方案上絞盡腦汁地去省工程土建成本。后者往往無法獲真正有效的造價節(jié)約并容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部薄弱，產(chǎn)生安全隱患。
(2)工程實踐表明，縱橫交錯的空間桁架在大型體育場看臺挑篷中的使用可以做到技術(shù)先進(jìn)，合理經(jīng)濟(jì)，配合采用鋼管直接相貫焊接節(jié)點(diǎn)，此類結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比具有明顯的節(jié)省鋼材和電焊工作量。經(jīng)分析比較桁架結(jié)構(gòu)較之于網(wǎng)架節(jié)省用鋼量20%，而較球節(jié)點(diǎn)的用球量是相貫節(jié)點(diǎn)的1-4倍，球節(jié)點(diǎn)的電焊工作量為相貫節(jié)點(diǎn)的2~5倍。因此，在今后類似工程的建設(shè)中，相貫節(jié)點(diǎn)的空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)型式可作為一個主要結(jié)構(gòu)類型予以比照。以選擇最優(yōu)方案。
作者單位:湖南省建筑設(shè)計院
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