揚州體育公園體育場建于揚州新城西區(qū)，場地內(nèi)地勢西高東低，高差超過10m，采用西側(cè)看臺多、東側(cè)看臺少的不對稱布置方案，與地形斷面走勢完全一致，和原有地形渾然一體，在西側(cè)看臺上方單側(cè)設置罩篷。這個項目是集中了復雜鋼結(jié)構造型、超長混凝土結(jié)構等諸多挑戰(zhàn)于一體的一個復雜工程，結(jié)構設計圓滿實現(xiàn)了建筑創(chuàng)意。
1 工程概況
體育場按容納人數(shù)30000人設計，總用地面積118661m2，總建筑面積41722m2。西看臺罩篷的建筑投影面積為10001m2，其中雙層疊合部分投影面積為1689m2?？磁_的總體輪廓采用四心橢圓形。結(jié)合西看臺的建筑主體分為3層，中間設局部夾層；東看臺的建筑主體為2層，其下部設1層地下室。1，2層為辦公用房、庫房、商業(yè)服務區(qū)及媒體中心等；3層為用于看臺的觀眾服務用房及半室外的觀眾廳。東看臺地下室是地下車庫和設備用房。
看臺層、屋面平面圖
體育場剖面圖
2 結(jié)構方案及結(jié)構體系
西看臺采用鋼筋混凝土（含部分型鋼混凝土）框架剪力墻結(jié)構體系；東、南、北看臺均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構體系，部分采用型鋼混凝土構件?？磁_混凝土結(jié)構總長242.9m，寬239.4m。針對體育場多數(shù)看臺為露天生態(tài)看臺的建筑設計，結(jié)合看臺的不同建筑分區(qū)及下部建筑功能，在混凝土看臺中設置4道防震伸縮縫，將整個看臺分為4個相互獨立的抗震單元。防震縫寬度取為120mm。防震縫的定位同時保證使西看臺鋼結(jié)構罩篷支座坐落在同一抗震單元上。
混凝土看臺結(jié)構分縫平面圖
各層樓蓋部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構，西看臺部分采用預制看臺板結(jié)構，部分外露建筑造型采用預制鋼筋混凝土掛板。西側(cè)入口大廳頂板依建筑造型設計成依地勢曲折形狀的無梁樓蓋結(jié)構，以取得最大的建筑凈高。
西看臺鋼結(jié)構罩篷是本工程設計的關鍵之一。由于建筑師構思的罩篷建筑效果排斥傳統(tǒng)的懸挑式結(jié)構，在空間上也沒有提供懸挑結(jié)構在出挑根部所必須的高度，因此結(jié)構放棄采用傳統(tǒng)的懸挑式，而是順應建筑造型要求采用退進布置的“預應力鋼管桁架拱+鋼桁架撐+斜撐桿+背拱”的結(jié)構形式。
西看臺鋼結(jié)構罩篷正投影圖
鋼結(jié)構罩篷側(cè)投影圖
為控制鋼管桁架拱傳到基礎上的水平推力并調(diào)節(jié)上部鋼結(jié)構扁平拱的桿件內(nèi)力，在南北拱腳之間、比賽場地地面以下一定距離設預應力索對拉。施工時結(jié)合部分屋蓋鋼結(jié)構桿件后裝的情況，在適當時機張拉預應力以獲得最優(yōu)效果。預應力張拉完畢后將拱腳固定，此后在風荷載、地震作用以及溫度變化作用下引起的拱腳水平推力都傳到樁基礎，由樁基礎和基礎筏板共同承受。
西看臺鋼結(jié)構罩篷的基本傳力路徑
大跨度拱腳通過對比計算進行優(yōu)化設計，采用結(jié)合施工過程的可滑移鉸接轉(zhuǎn)變?yōu)閯偨?，設置一定數(shù)量預應力平行鋼絲束以在一定程度上調(diào)節(jié)恒荷載下罩篷鋼構件內(nèi)力及平衡部分拱腳連線方向的水平力，同時樁基設計考慮平衡活（雪）荷載、風荷載以及溫度變化、地震作用下的拱腳水平推力。
3 結(jié)構設計要點
3.1 體育場罩篷鋼結(jié)構設計
罩篷鋼結(jié)構采用“預應力桁架拱+鋼桁架撐+斜撐桿+背拱”的結(jié)構形式，背拱下部支承在型鋼混凝土剪力墻上。東側(cè)預應力拱桁架拱腳跨度280m，拱底拉索中心標高-1.6m，拱頂標高42.978m；鋼桁架撐最大跨度37.099m；屋蓋外緣上、下挑篷自主拱中心向東最大出挑25.75m。結(jié)構設計使用年限為50年，大跨度罩篷鋼結(jié)構及其支承剪力墻、拱腳的結(jié)構安全等級為一級，結(jié)構重要性系數(shù)取為1.1。
為滿足建筑造型的要求，罩篷鋼結(jié)構沒有采用傳統(tǒng)的懸挑結(jié)構，而是在罩篷前端布置一榀280m跨度的拱形鋼桁架。由于受到建筑物限高的影響，這榀鋼結(jié)構巨型落地主拱特別扁平，其矢跨比為0.185。參照《拱形鋼結(jié)構技術規(guī)程》（JGJ/T 249—2011）的有關規(guī)定，需要考慮躍越屈曲問題。為盡量增大結(jié)構的躍越屈曲荷載，在主拱的幾何布置中，將拱頂弦桿盡量緊貼屋面，以加大拱截面高度。這樣盡可能加大主拱截面抵抗矩，提高了主拱的剛度，從而改善了結(jié)構的整體穩(wěn)定性。主結(jié)構構件緊貼屋面的布置，使主結(jié)構可以兼作屋面外包膜的支座，既減少了屋面次結(jié)構，也減輕了屋蓋荷重，對屋蓋整體的經(jīng)濟性控制十分有利。
結(jié)合建筑造型，主拱與水平面的夾角為55°。為增加沿主拱傳遞軸力的路徑，拱截面采用設有4根弦桿的四邊形截面，對角線長度由拱腳處的雙向5m，逐步平滑過渡到跨中的5m和5.976m（沿拱矢高方向）。主桁架拱的高跨比為1/56～1/46。
罩篷鋼結(jié)構單獨模型
扁平的主拱
主拱變高度
主拱截面
為保證鋼桁架撐平面外的穩(wěn)定性，沿鋼桁架撐跨度內(nèi)設置了3道環(huán)向桁架，并在鋼桁架撐與環(huán)向桁架相交節(jié)點之間設斜撐桿以保證主拱西側(cè)結(jié)構體系的整體幾何不變性。背拱設計為空間環(huán)向桁架，以平衡鋼桁架撐根部的復雜內(nèi)力，確保鋼桁架撐的可靠受力。由于建筑設計決定主拱和背拱不相交，主拱為大跨度斜拱，而背拱是直接與下部型鋼混凝土剪力墻多點相連的，兩者的變形必然存在明顯差異，尤其在兩者相互接近的“角部”，類似于“應力集中”的局部內(nèi)力極大情況相當明顯。因此在結(jié)構布置上少布置一榀桁架撐以做局部“應力釋放”處理，并將部分鋼桁架撐的桿件設定為后裝（同時設施工臨時支撐并建入模型計算），以減小內(nèi)力集中程度。角部外包膜材的支撐次結(jié)構也采用分縫設計以釋放過于集中的應力。
局部特殊做法
由于鋼桁架撐和環(huán)形桁架均為平面桁架，其平面外剛度較小，為改善平面外穩(wěn)定性，在部分相交節(jié)點處設角撐桿，角撐桿規(guī)格為Ф159×6，以相當小的桿件設置有效加強了以上兩種桁架平面外的約束，結(jié)構效率很高。
角部斜撐
3.2 體育場罩篷鋼結(jié)構設計
揚州體育公園體育場西看臺罩篷采用跨度280m的巨型落地預應力桁架拱結(jié)構。按鋼結(jié)構罩篷整體設計的受力要求，主拱位于南、北兩端的兩個拱腳需要在預應力施工階段采用鉸接并可滑移（第1階段）、正常使用階段采用固接的拱腳設計。
該巨型落地預應力桁架拱是由4根直徑750mm的弦桿和直徑273～400mm的腹桿組成的空間管桁架結(jié)構，與水平面成55°夾角，在拱腳根部，桁架截面呈對角弦桿中心線距離為5m的菱形。拱腳支座的設計是整個鋼結(jié)構罩篷設計的關鍵點之一。
第1階段拱腳支座軸測示意圖
預應力張拉完畢后，拱腳將從鉸接滑移變?yōu)楣探印Ｓ捎跊]有將主拱弦桿交匯，所以在第2階段可以很方便可靠地實現(xiàn)埋入式固接拱腳，而尺寸較大的外包混凝土能夠恰好被在拱腳處建筑設計所需要的堆土所覆蓋。主拱弦桿按伸入拱腳混凝土內(nèi)的長度不小于3倍的弦桿外徑進行設計，同時在弦桿端部設環(huán)形靴梁、在弦桿伸入混凝土拱腳約300mm處設環(huán)形反牛腿、在弦桿外表面滿打焊釘以保證埋入式拱腳的可靠傳力。在混凝土承臺中除沿外表面配置雙層雙向鋼筋外，在內(nèi)部配置三向鋼筋網(wǎng)，并在下部灌注樁施工時在樁端先行預埋型鋼，以提高拱腳抗拔和抗剪承載能力，并加強樁身和承臺之間的整體性。
拱腳示意圖
相關剖面詳圖
3.3 超長鋼筋混凝土看臺設計
看臺混凝土結(jié)構在設置四道防震縫后，由于受到西看臺上方斜拱不宜跨越不同抗震單元的限制，西看臺混凝土結(jié)構南北向長度仍達到229.8m，結(jié)構長度超過規(guī)范允許值很多。針對結(jié)構超長，采取措施控制混凝土收縮徐變和溫度等的影響。
西看臺采用清水混凝土預制板，為保證預制看臺板在溫度、地震作用下的適用性、安全性，預制板端部擱置長度取為350mm，采用漿錨或與預埋鋼板焊接（用于欄板根部）等方法和現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構可靠連接。并在預制板與現(xiàn)澆混凝土支座梁之間放置橡膠墊塊，以釋放溫度變形。
典型預制看臺板節(jié)點
4 基礎設計
基礎埋深為2～5.5m，采用樁筏基礎（西看臺拱腳連線及附近部分區(qū)域）和獨立樁承臺+基礎拉梁（其他部位）的基礎形式。地下室部分采用“樁承臺+止水板”設計。大跨度鋼結(jié)構拱腳設計的關鍵是要平衡好拱腳水平力，設計所采取措施：1）部分水平力直接由承臺下的樁承受，該承臺下樁按承受水平作用的樁進行設計；2）樁頂預埋數(shù)個H型鋼，規(guī)格為H300×300×10×15，以確保承臺水平力可靠地傳遞到樁；3）在南北兩個拱腳之間,頂面與承臺頂面持平，由南至北一定范圍內(nèi)設500mm厚整體筏板以平衡部分拱腳水平力。
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