揚州體育公園體育場建于揚州新城西區(qū)，是市民健身、休閑、競技、娛樂的場所。場地內(nèi)地勢西高東低，高差超過10m。體育場設(shè)計遵循生態(tài)、自然、低碳、節(jié)能實用的理念，充分利用地形布置看臺：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，從而在最大程度上減少了土方量。在西側(cè)看臺上方單側(cè)設(shè)置罩篷的建筑造型設(shè)計。
1 工程概況
體育場按容納人數(shù)30000人設(shè)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(shè)局部夾層；東看臺的建筑主體為2層，其下部設(shè)1層地下室。1，2層為辦公用房、庫房、商業(yè)服務(wù)區(qū)及媒體中心等；3層為用于看臺的觀眾服務(wù)用房及半室外的觀眾廳。東看臺地下室是地下車庫和設(shè)備用房。
2 結(jié)構(gòu)方案及結(jié)構(gòu)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(gòu)體系；東、南、北看臺均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，部分采用型鋼混凝土構(gòu)件?？磁_混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(gòu)罩篷支座坐落在同一抗震單元上。
各層樓蓋部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，西看臺部分采用預(yù)制看臺板結(jié)構(gòu)，部分外露建筑造型采用預(yù)制鋼筋混凝土掛板。西側(cè)入口大廳頂板依建筑造型設(shè)計成依地勢曲折形狀的無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，以取得最大的建筑凈高。
西看臺鋼結(jié)構(gòu)罩篷是本工程設(shè)計的關(guān)鍵之一。由于建筑師構(gòu)思的罩篷建筑效果排斥傳統(tǒng)的懸挑式結(jié)構(gòu)，在空間上也沒有提供懸挑結(jié)構(gòu)在出挑根部所必須的高度，因此結(jié)構(gòu)放棄采用傳統(tǒng)的懸挑式，而是順應(yīng)建筑造型要求采用退進布置的“預(yù)應(yīng)力鋼管桁架拱+鋼桁架撐+斜撐桿+背拱”的結(jié)構(gòu)形式。
為控制鋼管桁架拱傳到基礎(chǔ)上的水平推力并調(diào)節(jié)上部鋼結(jié)構(gòu)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(shè)預(yù)應(yīng)力索對拉。施工時結(jié)合部分屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桿件后裝的情況，在適當(dāng)時機張拉預(yù)應(yīng)力以獲得最優(yōu)效果。預(yù)應(yīng)力張拉完畢后將拱腳固定，此后在風(fēng)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(chǔ)，由樁基礎(chǔ)和基礎(chǔ)筏板共同承受。
大跨度拱腳通過對比計算進行優(yōu)化設(shè)計，采用結(jié)合施工過程的可滑移鉸接轉(zhuǎn)變?yōu)閯偨?，設(shè)置一定數(shù)量預(yù)應(yīng)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(gòu)件內(nèi)力及平衡部分拱腳連線方向的水平力，同時樁基設(shè)計考慮平衡活（雪）荷載、風(fēng)荷載以及溫度變化、地震作用下的拱腳水平推力。
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
3.1 體育場罩篷鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
揚州體育公園體育場西看臺罩篷造型獨特，是整個體育公園建筑群中的亮點，也由于建筑效果的特殊要求而成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。罩篷鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用“預(yù)應(yīng)力桁架拱+鋼桁架撐+斜撐桿+背拱”的結(jié)構(gòu)形式，背拱下部支承在型鋼混凝土剪力墻上。東側(cè)預(yù)應(yīng)力拱桁架拱腳跨度280m，拱底拉索中心標(biāo)高-1.6m，拱頂標(biāo)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(gòu)設(shè)計使用年限為50年，大跨度罩篷鋼結(jié)構(gòu)及其支承剪力墻、拱腳的結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)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(gòu)沒有采用傳統(tǒng)的懸挑結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 249—2011）的有關(guān)規(guī)定，需要考慮躍越屈曲問題。為盡量增大結(jié)構(gòu)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(gòu)的整體穩(wěn)定性。主結(jié)構(gòu)構(gòu)件緊貼屋面的布置，使主結(jié)構(gòu)可以兼作屋面外包膜的支座，既減少了屋面次結(jié)構(gòu)，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(shè)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。
為保證建筑美觀，鋼桁架撐和上、下挑篷桁架，在平面投影方向，均沿體育場四心橢圓平面的徑線呈放射狀布置。鋼桁架撐跨度從12.022m變化到37.099m，采用平面桁架，桁架高度由西向東從1m逐步加高到4.317m。
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(shè)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(shè)斜撐桿以保證主拱西側(cè)結(jié)構(gòu)體系的整體幾何不變性。經(jīng)整體對比計算，確定斜撐桿由靠近挑篷側(cè)設(shè)在上弦曲面內(nèi)向背拱側(cè)于適當(dāng)位置斜向過渡到下弦曲面內(nèi)更有利于結(jié)構(gòu)整體均勻受力。
背拱設(shè)計為空間環(huán)向桁架，以平衡鋼桁架撐根部的復(fù)雜內(nèi)力，確保鋼桁架撐的可靠受力。
由于建筑設(shè)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(yīng)力集中”的局部內(nèi)力極大情況相當(dāng)明顯。因此在結(jié)構(gòu)布置上少布置一榀桁架撐以做局部“應(yīng)力釋放”處理，并將部分鋼桁架撐的桿件設(shè)定為后裝（同時設(shè)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(gòu)也采用分縫設(shè)計以釋放過于集中的應(yīng)力。
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(shè)角撐桿，角撐桿規(guī)格為Ф159×6，以相當(dāng)小的桿件設(shè)置有效加強了以上兩種桁架平面外的約束，結(jié)構(gòu)效率很高。
3.2 體育場罩篷鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)應(yīng)力桁架拱結(jié)構(gòu)。按鋼結(jié)構(gòu)罩篷整體設(shè)計的受力要求，主拱位于南、北兩端的兩個拱腳需要在預(yù)應(yīng)力施工階段采用鉸接并可滑移、正常使用階段采用固接的拱腳設(shè)計。
該巨型落地預(yù)應(yīng)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(gòu)，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(shè)計是整個鋼結(jié)構(gòu)罩篷設(shè)計的關(guān)鍵點之一。
按上部鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計受力需要，在拱底預(yù)應(yīng)力索張拉施工時，主拱拱腳應(yīng)為允許轉(zhuǎn)動的鉸接支座，并需要隨預(yù)應(yīng)力拉索的張拉向跨度內(nèi)側(cè)方向相向滑移104mm(南拱腳支座)和107mm(北拱腳支座)，均為單側(cè)滑移值，兩端相向滑移總量為211mm。此時結(jié)構(gòu)處于后裝桿件尚未安裝、已安裝桿件隨預(yù)應(yīng)力張拉而部分逐漸落架的狀態(tài)。
從設(shè)計的角度來看，“可滑移的鉸支座”要求拱腳的傳力歸攏到一點，否則難以實現(xiàn)一定量的轉(zhuǎn)動和滑移。但在構(gòu)造上，若將主拱4根外徑750mm的弦桿并攏到一點，不僅實際施工制作的難度很大、造價很高(主拱弦桿為Q460高強鋼材，如采用相近強度的鑄鋼件，需要在鑄鋼中添加特殊化學(xué)元素，將明顯提高造價，且焊接的難度也大大提高)，而且可能加大下一階段主拱拱腳變換為固接支座后在構(gòu)造上和傳力上的難度。因此經(jīng)多方案比選，決定采用主拱弦桿在拱腳處不內(nèi)收、另設(shè)加強腹桿交會到拱底形心的設(shè)計。同時，為保證鉸接支座的可轉(zhuǎn)動性，在拱底加強腹桿交會的形心處采用銷接構(gòu)造；預(yù)應(yīng)力張拉時的滑移采用銷下設(shè)限位滑槽的方法。
為保證可靠傳力，在前述拱腳端部加強腹桿之間設(shè)置雙向穿心鋼板和徑向撐管兩道，以改善拱腳在第1階段的受力。在穿心鋼板上滿打M19@200×200的焊釘以保證鋼板在下一階段與混凝土成為整體。
為減小滑塊和滑槽之間的摩擦力，相關(guān)接觸面須進行精加工，在兩個接觸面之間放置鏡面不銹鋼板和聚四氟乙烯板，使接觸面摩擦系數(shù)不超過0.02。銷軸和銷孔之間的接觸面也應(yīng)精加工、做鏡面處理，以保證張拉預(yù)應(yīng)力時不產(chǎn)生對支座和結(jié)構(gòu)不利的附加內(nèi)力。
預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，拱腳受力將從第1階段過渡到第2階段，由鉸接滑移拱腳變?yōu)楣探庸澳_。由于沒有將主拱弦桿交匯，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(shè)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(shè)計，同時在弦桿端部設(shè)環(huán)形靴梁、在弦桿伸入混凝土拱腳約300mm處設(shè)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(yù)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。
3.3 超長鋼筋混凝土看臺設(shè)計
看臺混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)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(gòu)南北向長度仍達到229.8m，結(jié)構(gòu)長度超過規(guī)范允許值很多。針對結(jié)構(gòu)超長，采取以下措施：
（1）要求施工時盡量降低混凝土入模溫度和養(yǎng)護溫度，按結(jié)構(gòu)成型后的實際溫度歷程進行溫度應(yīng)力計算，并計入混凝土收縮、徐變等因素的影響；在溫度應(yīng)力較大的部位提高配筋率，樓屋面板采用雙層雙向配筋，每層每向配筋率均不小于0.3%。
（2）超長看臺部分采用預(yù)制構(gòu)件。
（3）混凝土梁澆筑時設(shè)施工后澆帶，每隔約40m設(shè)置一道施工后澆帶，寬1 000m，在60d后且氣溫低于10℃時采用強度等級提高一級的微膨脹混凝土澆筑。
（4）施工時采取減小水泥用量和水灰比、摻入合適的外加劑、改善水泥和骨料質(zhì)量、加強養(yǎng)護等措施，盡量減少混凝土收縮裂縫。
西看臺采用清水混凝土預(yù)制板，為保證預(yù)制看臺板在溫度、地震作用下的適用性、安全性，預(yù)制板端部擱置長度取為350mm，采用漿錨或與預(yù)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(gòu)可靠連接。并在預(yù)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。
4 基礎(chǔ)設(shè)計
根據(jù)場地勘察情況，考慮荷載的大小、平面分布及地基持力層的分布情況，選用⑦層礫質(zhì)砂巖層為拱腳下基樁持力層，采用直徑1200mm鉆孔灌注樁，有效樁長為10～12m，按靜載荷試樁報告取單樁抗壓承載力特征值為4200kN，單樁水平承載力特征值為700kN；選用⑦層礫質(zhì)砂巖層或⑧層泥質(zhì)砂巖層為其他區(qū)域的基樁持力層，采用直徑600mm鉆孔灌注樁，有效樁長7～15m隨土層而變，單樁抗壓承載力特征值為1050～1450kN，單樁抗拔承載力特征值為500kN。
基礎(chǔ)埋深為2～5.5m，采用樁筏基礎(chǔ)（西看臺拱腳連線及附近部分區(qū)域）和獨立樁承臺+基礎(chǔ)拉梁（其他部位）的基礎(chǔ)形式。地下室部分采用“樁承臺+止水板”設(shè)計。地下室底板直接支承于③層粉土、粉砂層，底板荷載不傳到樁基礎(chǔ)。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計的關(guān)鍵是要平衡好拱腳水平力，設(shè)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(shè)計；2）樁頂預(yù)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(shè)500mm厚整體筏板以平衡部分拱腳水平力。
5 結(jié)語
對于體育場這類結(jié)構(gòu)暴露的建筑，結(jié)構(gòu)必須體現(xiàn)建筑在造型方面的設(shè)想，實現(xiàn)建筑師的意圖。在此前提下，結(jié)構(gòu)工程師需要將可能不符合力學(xué)原理的建筑造型設(shè)計成合理傳力、安全可靠的結(jié)構(gòu)。在這個過程中，可以綜合、靈活地運用施加預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)分區(qū)、分片按特定順序安裝，從而達到“預(yù)調(diào)內(nèi)力”的目的，使結(jié)構(gòu)趨向合理。
揚州體育公園體育場是集中了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)造型、超長混凝土結(jié)構(gòu)等諸多挑戰(zhàn)于一體的一個復(fù)雜工程。針對其復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)設(shè)計通過多程序仿真實際結(jié)構(gòu)成型的全過程，考慮了當(dāng)?shù)氐臍v史溫度變化，進行了強度分析、變形分析、整體和局部的彈性、彈塑性穩(wěn)定分析等，采取了一系列措施，保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠、經(jīng)濟合理。
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