深圳大运中心体育场钢屋盖设计优化分析

1、刘琼祥总经理、总工程师 深圳大运中心体育场钢屋盖设计优化分析1工程简介深圳大运动中心体育场位于深圳龙岗区，是2011年世界大学生运动会的主要体育赛事场地体育场造型犹如一颗绿色的水晶石。建筑平面图工程概况建筑平面尺寸274m289m,可容纳6万名观众。钢屋盖采用单层折面空间网格结构形式。由20个形状相似的结构单元通过空间相互作用联系在一起，整个结构呈双轴对称。整个钢屋盖与混凝土看台完全脱开，由20个铸钢球铰支座支承。屋盖中间开洞尺寸180m130m，屋盖悬挑长度在不同区域分别为51.9m到68.4m。前端最高点34.89m，后端最高点45.90m，屋盖形状为马鞍形，内环高差8.57m，外环高差1

2、2m。建筑东立面图建筑剖面图2结构构成体育场屋盖由20个形状相近的结构单元组成，双轴对称。(钢屋盖单元编号示意图)单元主杆件分组编号及节点命名示意每个单元由13个三角形面、19根杆件、8个节点组成。造型的凸点、凹点等构成整个结构形状的控制点。内环点、冠峰点为焊接节点，其余节点均为铸钢节点。主次杆件的布置三角形面面交线是结构主杆件，断面形式为圆管，直径由7001200mm不等次杆件位于主杆件四分点的连线处，断面形式为焊接组合箱形断面，高度450600m。次杆件与主杆件、次杆件与次杆件之间的连接均采用刚性连接。球铰支座铸钢球铰支座底盘与水平方向夹角均为15，该支座限制三个线位移，放松三个角位移.传

3、力路径示意图该结构由弯折的三角形折面形成面外刚度；空间效应形成环向力构成不可见的空间支撑点；次杆件网格提高了折面刚度，与相邻折面的次杆件对主杆件形成侧向约束；连通的马道、肩谷环梁等将20个单元紧密联系在一起；竖向和水平荷载通过主杆件的拉、压、弯等作用传递到支座，如图所示。3结构特点（1）结构稳定问题突出单层结构且悬挑跨度大，体育场内部无可见结构支撑构件；空间作用显著，整体性要求高。G6、 G16 联合作用提供不可见的空间支点，才能形成稳定结构，这就要求结构具有较强的整体性，肩谷环梁、马道环梁、内环梁设置及与节点的刚接等对增强单元之间的联系作用较大； 3结构特点（2）传力路径弯折应力集中现象突出

4、，特别是10根杆件交汇的肩谷节点， G13（图6）组杆件的上部弯矩明显大于其它杆件。（3）工程技术综合，难度大。80多吨的超大铸钢节点超过规程的技术要求承担巨大荷载的碗盖球的钢球铰支座钢板热成型厚壁圆管等三项技术在国内建筑工程很少应用。4 结构主要分析结果结构动力特性三种计算方法得到的周期、振型较为接近；前5阶振型均表现屋面竖向振动，体现了立面刚度较好，屋面刚度相对薄弱。4 结构主要分析结果结构位移风荷载、多遇地震作用下的水平位移角均远远小于1/500，满足钢结构设计规范要求；在各种最不利荷载组合工况下，竖向位移1/224，满足1/200的要求。构件应力比有地震组合的应力明显低于无地震组合，风

5、荷载起控制作用。整体应力比控制在0.85以下，以拉应力为主的杆件应力比不超过0.70。5位移控制本工程采取预先起拱的方法，以减小结构变形。适应幕墙结构变形是挠度控制的标准。主体结构卸荷后安装幕墙结构，其零应力状态发生在主体卸荷完成时主体结构变形与幕墙应力相关的是3、5，只要控制这二项数据，满足在各种工况下的变形即可，体育场钢屋盖悬挑挠度确定为扣除结构自重的变形控制值为悬挑跨度的1/200。3为卸荷后设备、幕墙、降温、下压风等不利组合产生变形5为卸荷后升温、上吸风等不利组合产生变形6结构找形分析6.1支座位置调整为了提高抗倾覆的结构能力，将支座外移与肩峰点垂直，使得整个结构体系平面布置合理趋向圆

6、形；增大抗整体倾覆力臂，如图12所示，同时增强了20个单元之间的相互空间作用。6.2内、外环高差调整随着内环高差由13.60m 降到8.57m，外环高差由17.5m降到12.0m，支座的环向推力减小13.2%；在G13杆件的上部应力集中区域，合成弯矩减小了6.7%，有效改善了应力集中的状况。6.3冠峰、冠谷高差调整为了提高屋盖前端刚度，增强抗风能力，将冠峰、冠谷之间高差从8.5m调整到10.7m，随着冠峰、冠谷之间高差增加，屋盖前区的挠度减小22.7%，屋面前区与后区的挠跨比（挠度 与跨度l的比值）由1.39降到1.10减小20.9%，显著改善了屋面变形不均匀状况。7肩谷环梁对结构影响7.1动

7、力性能原方案平面变形较大，y方向明显变长，椭圆形的洞口变得很狭长，现方案平面变形较小；屋面由四个波变为二个波不同结构方案周期对比现方案屋盖单元之间的联系增强，平面外刚度明显提高，相应的第1周期缩短约30%，前3个周期减小明显不同结构方案风振系数对比结构的风振效应减小约7%8%，30、45风向角分别减小12.4%和16.0%。7.2静力性能现方案水平位移减小45%左右，肩峰点最大位移角达到1/8001/1000。 单元应力集中最显著G13杆件的内力合力弯矩呈明显降低的趋势； 7.3支座反力增设肩谷环梁后，结构支座的水平推力减小1.9%6.8%，竖向支撑力增加2.8%3.5%，肩谷环梁起到一定的环箍作用。8 结论(1)根据变形控制要素和幕墙结构施工安装顺序，体育场钢屋盖挠度控制标准确定为扣除结构自重的变形值为悬挑跨度的1/200，经济合理。(2)对这种新型结构，结构找形是非常重要的。通过结构找形和增设肩谷环梁前后对比分析表明：优化后的结构周期减小，水平刚度增强，支座环向推力减小