广州体育馆结构设计

广州体育馆结构介绍广州市设计院广州体育馆夜景主场馆训练馆大众馆主场馆训练馆大众馆剖面图纵剖面图室内室内室内介绍内容1、体育馆概况2、对初步设计的改进3、屋盖设计的安全度4、设计特点5、设计计算及试验6、屋架施工的基本情况1、体育馆概况功能：广州体育馆是为“九运会”而兴建的大型体育设施，以举办包括国际室内田径赛在内的各种体育比赛为主，同时能兼顾大型演唱会、文艺演出、展览会等。2.主场馆建筑面积约40000m2，馆内设包厢24间，座位10018座；3.训练馆建筑面积约20000m2，馆内设练习场、游泳场、学术交流厅等；4.大众活动中心建筑面积约9000m2，馆内设体育娱乐场。指标主场馆训练馆大众馆长轴长度（m）短轴长度（m）投影面积（m）上弦圆锥角屋顶离地面高度(m)

用钢量160151.51401107030127007748272224.5263633.8720.2714.951766.97t929.6t420.36t139kg/m2120kg/m2154kg/m222221、体育馆概况2、设计过程1.广州体育馆设计方案通过国际招标，由法国巴黎机场公司(ADP)建筑师Paul.Andaeu中标，并负责完成方案设计、初步设计。2.广州市设计院负责配合初步设计和施工图设计。1999年3月初步设计审查。1999年6月组织空间结构专家对体育馆钢结构屋盖进行技术审查。

2、屋盖设计问题1.辐射桁架平面外稳定及计算长度问题，采用斜交拉索作为侧向稳定支点无规范依据。ADP提供辐射桁架部分上弦，特别是下弦的截面不满足平面内、外稳定计算。4点约束支座的反力相当大，下部设计相当困难。2、对初步设计改进内容

1.主檩条位置增设环向桁架垂直交叉索。

2.辐射桁架下弦由2-φ70实心圆棒改为2-φ89×19

（2-φ102×19）圆管。

3.节间平面内长度由3300改为2500。

4.支座除四个端支座外其余采用弹簧刚度明确的球型减震支座。

5.根据计算结果，部分加大原设计的截面厚度。

6.主桁架改用圆钢管，采用相贯节点。3、广州体育馆的屋盖设计安全度1.结构设计安全等级一级。2.按七度基本烈度抗震设防。3.荷载

(1)风荷载：基本风压0.45，重要性系数1.2，体型系数取考虑内压的风洞试验值，风振系数1.8。

(2)

垂直荷载：恒载：0.3kN/m2(包括屋面板、檩条、吸音器等)；活载：0.3kN/m2（按满跨均布和半跨均布分别考虑）；固定设备重量（包括广播音响、灯光、马道等）；演出灯光音响每节点6kN，总重约750kN；

(3)

温差：±250C3、广州体育馆的屋盖设计安全度4.索设计安全系数为2.5～3。5.钢结构屋盖防火等级为一级，采用薄型喷涂金属防火涂料，根据消防设计审核意见书防火耐火时间为0.5小时。结论：广州体育馆的屋盖设计经过建委的支持，专家的指导，依据实事求是的科学态度，改进和完善了原结构受力体系，结构构件的设计符合我国设计规范，屋盖的设计是安全的。主场馆钢屋盖平面训练馆大众馆 辐射桁架和垂直交叉索主桁架下弦节点4、设计特点一、屋盖杆件布置的韵律形成很有特色的空间结构美各馆中央屋脊为纵向空间桁架。辐射桁架按等距沿放射放置。桁架的上弦为方钢管，腹杆采用圆管，下弦由2根φ89（76）圆管组合而成，杆件尺寸外形大小一致。首次在大跨度的空间结构中使用了800根高强度低松驰的预应力拉索作为受压弦杆支点，拉索之间为弦杆计算长度。空间结构体系整齐划一，很有特色。二、辐射桁架上弦采用方钢管与圆钢管的直接焊接相贯节点，通过节点试验及有限元计算比较，判明节点支管的承载力以及相贯节点是否需要加强等情况，选用计算公式进行结构设计。下弦为两根圆钢管，在节点处与竖腹杆端的实心圆钢棒和两根斜腹杆焊接，节点新颖，具有特点，下弦节点亦通过试验保证设计安全。4、设计特点三、体育馆所有的辐射桁架，均支承在一道0.65X1.25m的箱形钢环梁上，而钢环梁的支座为垂直、环向约束，径向具有弹簧刚度的球形减震支座，弹簧刚度由弹簧钢板制成，并由其将屋盖的水平推力和垂直力传递到下部剪力墙。该支座的设计及使用亦为国内第一例。四、首次在大跨度的空间结构中将稳定索参与共同计算，与辐射桁架、主桁架一起形成良好的空间受力体系。屋盖上弦面沿周边设环向水平交叉索和四道径向水平交叉索，辐射桁架间每隔10米设一道环向垂直交叉索，上弦水平拉索及下弦垂直交叉拉索组成屋盖的柔性支撑体系。通过对屋盖的非线性屈曲分析，整体弹性计算，整榀桁架试验确定索的张拉力及控制张拉索力差。五、钢索采用镀锌高强度低松驰预应力钢铰线，强度标准值fptk=1670Mpa，单根钢铰d=15(7φ5)，外挤包白色高密度聚乙烯。施工前对索的分批张拉相互影响模拟计算出每根的张拉力，根据计算值采用对称张拉原则施工。对索施加20~40kN预应力，使索保持30kN左右的拉力，不退出工作。1.结构自重2.恒载（0.3KN/m2+设备重量）3.满布活载（0.3KN/m

2)4.活载不利组合演出灯光音响荷载除固定灯光、中心音响外，

每节点6KN，总重750KN的不利组合6.风荷载(根据荷载规范和风洞试验取值）7.+（-）250

c温度影响8.水平地震按基本烈度设计，考虑竖向地震作用9.稳定索预应力：主场馆：30KN;训练馆：25KN;大众馆：20KN.10.采用弹性支座：环向与径向弹性约束，竖向固定。。25、计算荷载、参数5、支座假定48个弹性支座，Z向约束，X、Y向支座弹性系数5000kN/m;6个支座仅Z向约束。5、支座5、风洞试验情况1.在各风向角下,迎风面的正风压均不会很大,但负压值较大,尤其是屋脊处,负压尤为显著,最大风压系数为-1.52。2.最不利的风向角对不同屋盖不同时出现,对同一屋盖的不同部位也不同时出现。对于主场馆,最不利的风向角大约90°至

112.5°之间。

3.设计时取风向角90°时的风压值及112.5°时的风压值作为两种风荷载工况与其它荷载组合进行屋盖主体结构设计。4.我们根据试验提供的风压体型系数,把屋面分成几个区域,各区域分别取平均值作为该区域的体型系数。5.根据外表面风压体型系数的正负情况,取±0.2内风压值。6.根据风洞试验的建议,在设计时考虑了风振系数1.8。

5、风荷载平面5、静力分析屋盖采用SAP5和ANSYS5.6两种有限元分析软件进行静力分析。分析时共采用三种单元,杆件采用梁单元,索采用索单元,弹性支座采用弹簧单元。计算时索先全部预加预应力,主场馆、训练馆和大众馆分别为30kN、25kN、20kN,再分别施加恒载、活载、风荷载,得到该种工况下的内力,而温度则作为一种单独的活载工况施加于屋盖上,供设计时参考。在恒载和满布活载作用下,辐射桁架上弦杆以受压为主,屋盖两端部辐射桁架RT2、3、4和RT38、39、40下弦杆全部受压,其它辐射桁架下弦杆则在靠近屋脊和环梁部分受压,中间部分受拉。但在风荷载和半边活载共同作用下,各榀辐射桁架下弦杆则全部受压。5、动力分析采用ANSYS5.6程序，计算方法为时程分析法和振型分解反应谱法。时程分析：选用了EL-Centro波和一条场地实测波,另外还考虑了场地实测水平波加30%场地实测竖向波的组合。取七度基本烈度加速度峰值,水平波地面加速度峰值为102cm/s2,场地竖向波地面加速度峰值为70cm/s2,地面脉动平均卓越周期0.27s

。设计时杆件内力取各条波计算结果的大值。振型分解反应谱法：对于大规模的空间结构,屋盖自由度很多,计算时先采用BlockLanczos法求出前108阶振型,然后用CQC法耦合得到地震反应。输入的反应谱为地震反应谱,地震影响系数α借鉴《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)的α曲线确定,αmax取七度基本烈度所对应的值。采用时程分析法或振型分解反应谱法计算所得的地震作用下杆件内力均小于风荷载作用下的杆件内力。5、屈曲分析非线性屈曲分析是一种比较精确的分析方法,通过渐增荷载来寻求结构失稳时的临界荷载。它可考虑结构的初始缺陷,几何非线性和材料非线性及间隙等,是一种较为接近实际情况的分析方法。保证下弦杆的稳定,是屋盖设计中的重点与难点。受压的辐射桁架下弦采用交叉拉索提供下弦稳定支点，需对结构进行非线性屈曲分析，达到了解对结构的整体性和下弦的稳定性。对体育馆主场馆屋盖进行屈曲分析时考虑了三种工况:(1)恒载+满跨活载;(2)恒载+上半边活载;(3)恒载+右半边活载。分析时采用线性屈曲分析和几何非线性屈曲分析相结合的方法。在上述三种屈曲工况下,整体屈曲模态的出现一般是在上弦先出现屈曲,继而下弦发生失稳,屋盖有整体扭曲的趋势,且靠近屋盖端部辐射角约为45°的辐射桁架最先出现屈曲。从屈曲分析中可知,结构的屈曲承载力对支撑系统的依赖程度较大。若屋架下弦没有索柔性支撑体系,结构将不足以承受使用荷载和自重而发生平面外失稳。因此在设计时,为保证索始终处于受拉,对于主场馆、训练馆和大众馆分别施加了30kN、25kN、20kN的预拉应力。5、计算结果5、主场馆屋盖的内力特点１）辐射桁架下弦以压杆控制。２）主桁架上下弦杆拉压互相交错，截面以压杆控制。３)环梁变形：垂直荷载下两端向内收，中部向外移；温度作用下沿径向外移。４)支座最大压力1200KN，最大水平推力350KN，支座允许径向位移±80mm,切向位移±55mm。５)最大竖向位移：计算120mm，施工完成实测90mm.5、辐射桁架试验目的桁架试验要求达到以下目的:1)验证桁架下弦用垂直交叉索约束下弦平面外稳定的可行性和安全性;2)桁架支座端板在荷载作用下的稳定性，局部开孔范围及与环梁连接处的应力情况。

3)桁架上下弦节点在结构整体中的性能。5、辐射桁架试验方案试验方案1)按38轴辐射桁架做足尺试验。2)试验采用上下水平拉杆加载方式。3)垂直交叉索采用工程施工钢索，一端张拉锚具。4)钢索的初始张力按设计要求控制在25～50kN，在加载试验过程中，调整使钢索张力不小于15kN，保证索不退出工作。5)正式试验加载分26级，最大加载值为2550kN。5、辐射桁架试验结论1、桁架端板在试验荷载作用下是稳定的，不会产生失稳状态。2、只要索保持拉力状态和左右张紧的平衡状态，采用拉索做支撑的概念设计是可行的。3、用垂直交叉索约束下弦平面外稳定，作为减少计算长度的支撑是可行的。4、上弦节点试验实现了主管连接面塑性破坏模式。在设计荷载下，上弦方管可不采用补强，节点设计是安全的。5、下弦节点破坏主要是焊缝破坏。在设计荷载下，节点不会发生焊缝破坏的节点失效模式。5、辐射桁架试验内力对比在最大加载2550KN作用下，上下弦杆的试验内力和设计内力对比见表一。其中第一段为与主桁架连接段，第二段为中部垂直交叉索之间10米跨段，第三段为与端板连接段。设计控制内力是与试验桁架上下弦截面相同的3~41轴下弦，2~12，30~40轴上弦的截面设计控制值。对于下弦杆，试验内力达到了设计控制内力的1.3倍以上。5、辐射桁架端板分析

2.在桁架端板开孔边缘，下弦杆与端板用厚钢板双面贴角焊250mm长，从试验值看到，下弦③杆的内力为-14460KN，孔位④杆内力为-404.3KN，通过焊缝直接将下弦杆内力72%传到端板，减少杆端连接螺栓的压力，满足建筑师对螺栓直径的要求。3.支座端板应力分布与有限元分析,在端板下半部，主应力直线基本呈水平状，主应力值在50～79MPa，12点平均值为63.4MPa；最大主应力值为84.2MPa，位置在端板与水平钢梁的连接边缘，开孔周围最大主应力为-78.6MPa。4.有限元计算采用软件COSMOS，建立三维实体模型，边界条件与试验的实际边界条件相同。端板下部σ1的最大值为70Mpa，在端板与环梁交接处，σ1最大值为80Mpa。有限元计算结果与试验下端板主应力比较，结果基本吻合，另分析σr沿截面的变化规律是一致的，数值也一致相近。

5、辐射桁架端板分析5、辐射桁架端板设计5、辐射桁架端板5、辐射桁架端板5、预应力索试验情况1）索2，3，6，7与桁架下弦连接，张力随荷载P加大而减少。索1，4，5，8与桁架上弦连接，张力随荷载P加大而增大。2）试验条件与实际条件不同，试验时索与桁架上弦连接实际上是固定在支架上，而不是在另一榀辐射桁架的上弦节点上；另试验荷载没有采用垂直加荷，桁架在垂直方向的变位也与实际不同，索力在加载下的变化规律与整体计算有差别。3）从试验可以看到，索对下弦杆平面外的稳定起重要作用，如果没有索控制，对近25米长的下弦杆，在试验荷载下会出现失稳的破坏模态。4）桁架试验证实，用垂直交叉索作为约束下弦平面外稳定，只要索保持拉力状态和左右张紧的平衡状态，减少计算长度支撑是可行的。5、索预张拉力的确定

1）通过对屋盖进行非线性屈曲分析。整体屈曲模态的出现一般是在上弦先出现屈曲，继而下弦发生失稳，屋盖有整体扭曲的趋势，只有保证索不出现退出工作，结构体系是安全可靠的。2）从整体弹性计算中看到，在对索预加拉力30KN，在各种情况下索内力变化不同，在10～40KN之内，没有出现退出的情况。3）虽然试验不能真实反映实际，但从试验桁架的变形测量值看出一对索的张拉力不等，会引起下弦节点的水平位移。4）根据计算和试验，我们确定索初张拉力在25～40kN，一对下弦索张拉力差不大于5kN的施工要求

5、索端节点大样5、支座5、上下弦节点试验目的

1。方钢管与圆钢管的直接焊接相贯节点，尚未见国内结构工程中有应用情况的报导，当时钢结构设计规范GBJ17-88也没有专门的计算规定，因此，需要判明节点支管的承载力以及相贯节点是否需要加强等情况，对上下弦节点进行静力加载试验，试验结果与节点有限元计算比较，并选用计算公式进行结构设计。

2。根据有关资料分析，不设加劲肋的方管弦杆与圆管腹杆直接焊接相贯节点可能有如下的破坏模式:与腹杆相连的弦杆板件(翼缘板)形成塑性铰机构；弦杆翼缘冲剪破坏；在腹板压力作用下弦杆侧壁压曲；焊缝连接破坏。造成节点破坏的条件是腹杆轴力很大。当受拉腹杆轴力很大时，连接焊缝可能破坏；当受压腹杆压力很大时，可能引起弦杆翼缘塑性过度发展直至产生塑性铰或弦杆腹板被压屈，两者轴力较大时，也可能发生冲剪形式的破坏。为达到试验目的要求，试验方案采取增大节点处弦杆压力差（即增大腹杆中轴力）的控制条件对弦杆两端施加轴力荷载，直至最后破坏。

5、上节点试件模型5、上节点试验结果随腹杆中轴力加大，弦杆上翼缘产生面外弯曲变形，受压腹杆相连处翼缘板向钢管内侧凹进，受拉腹杆相连处翼缘板则向管外凸出，在临近极限荷载时，这种变形已能十分明显地被观察到。试验结束前，JDUL的受压腹杆与弦杆的节点部位已达到承载极限，JDUR的拉、压腹杆都已出现承载力下降的趋势。最后，方钢管弦杆的上翼缘板与受拉腹杆相连处被撕裂，呈拉剪破坏状，节点破坏模式为主管连接面塑性破坏。

5、上节点有限元分析

有限元分析计算采用COSMOS软件，模型采用三维实体建模，在腹杆端部加局部约束来模拟铰支座，弦杆两端为自由端。加载时在弦杆上下两端加数值不同的均布压力从而产生压力差。将计算结果腹杆与弦杆相交处的Mises应力图与试验测点的应力作比较，符合较好。5、下节点试件模型试验方案试验位置：端板第一节点和距主桁架第一节点，该两节点是各桁架节点下弦力差最大值的位置。试件破坏的两种可能性：（1）杆件与实心棒的任意一条焊接失效，属于节点破坏性质。产生连接焊缝破坏的可能原因是各腹杆（尤其是受拉腹杆）轴力太大，或是下弦杆两端力差大。（2）杆件发生强度或稳定性的失效，属于杆件破坏性质。试验方案考虑逐步增大节点处两端下弦杆的压力差的方式对试件加载。试件为足尺模型。5、下节点试验结果